DE69834835T2 - Dynamische reduzierung von biologischer beladung durch o(x) - Google Patents

Dynamische reduzierung von biologischer beladung durch o(x) Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine Apparatur, die dazu verwendet werden können, die biologische Beladung von Verbrauchsprodukten wie Nahrungsmittelprodukten, Pflanzen, kosmetischen Ingredienzien und medizinischen Produkten erheblich zu reduzieren, die traditioneller Weise mit kommerziellen Sterilisierungsmitteln oder Desinfektionsmitteln wie Ethylenoxid, Propylenoxid, Methylbromid, Hydrogenphosphid, Dampf (Hitze), Bestrahlen und dergleichen behandelt worden sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gegenwärtig ist Ethylenoxid (EO) das Mittel der Wahl für nahezu jede gasförmige Sterilisierung von Verbrauchsprodukten, die in den Vereinigten Staaten durchgeführt wird. EO besitzt jedoch eine Anzahl an Eigenschaften, die seine Verwendung als ein Sterilisierungsmittel einschränken. Beispielsweise ist EO hochgradig entflammbar und hochgradig explosiv. Aus diesem Grund müssen sämtliche EO-Sterilisierungsanlagen einen Schaden begrenzenden Aufbau besitzen und die gesamte, bei dem EO-Sterilisierungsprozess verwendete Ausrüstung muss explosionsgeschützt sein. Zusätzlich dazu sind hohe Konzentrationen an EO für Menschen akut toxisch und EO ist als eine karzinogene Substanz bei Labortieren in Zusammenhang gebracht worden. EO-Sterilisierungsanlagen müssen daher mit kostenintensiver Ausstattung versehen werden, um das Aussetzen des Anlagenpersonals an EO zu minimieren und das Austreten von EO an die Atmosphäre außerhalb der Anlage zu verhindern.
  • Ein anderer Nachteil von EO besteht darin, dass es mit Chlor unter Bildung von Ethylenchlorhydrin (ECH) und mit Wasser unter Bildung von Ethylenglykol (EG) reagiert. Diese beiden Nebenprodukte sind toxisch und müssen auf sichere Niveaus reduziert werden, bevor sterilisierte Materialien zur Verwendung freigegeben werden. Tatsächlich schließt die Bildung von ECH und EG die Verwendung von EO zur Sterilisierung einer Anzahl an Lebensmittelprodukten aus, für die es ansonsten ein sehr nützliches Sterilisierungsmittel wäre.
  • Über die letzten 50 Jahre ist eine Anzahl anderer Gase als Sterilisierungsmittel getestet worden, die einen oder mehr der Nachteile von EO nicht aufweisen. Diese Gase beinhalten beispielsweise Wasserstoffperoxid, Ozon und Chlordioxid. Jedoch hat sich kein anderes Gas als so wirksam zur Verwendung in großvolumigen industriellen Sterilisatoren wie EO erwiesen. Der üblichste Grund für das Scheitern dieser Gase als nützliche Sterilisierungsmittel ist eine ungeeignete Permeation dieser Gase durch Verpackungsmaterialien und in die Lumina und Zwischenräume des Produkts gewesen, das sterilisiert wird. Der Grund für das Fehlen der Permeation kann in einer Anzahl an Faktoren liegen, die die Größe des Sterilisierungsmittelmoleküls, die Reaktivität des Sterilisierungsmittelmoleküls mit äußeren Verpackungsmaterialien vor dem Erreichen des Zielmaterials und den Abbau des Sterilisierungsmittelmoleküls vor dem Erreichen des Zielmaterials beinhalten.
  • Eine Anzahl an kommerziellen Desinfektionsmitteln werden gegenwärtig zur Behandlung von Nahrungsmitteln und anderen gelagerten Erzeugnissen verwendet. Die am meisten verwendeten Desinfektionsmittel sind Methylbromid, Wasserstoffphosphid, Kohlendioxid und Wasserstoffcyanid. Viele dieser Verbindungen werfen gefährliche Zustände für das Anwendungspersonal auf und können schädliche Rückstände in den Nahrungsmitteln und Erzeugnissen bilden, die behandelt werden. Methylbromid, das am meisten verwendete Desinfektionsmittel, ist als ein die Ozonschicht abbauendes Mittel identifiziert worden und wird unter den Protokollen von Montreal aus dem Jahr 1997 beanstandet, um bis zum Jahr 2005 verboten zu werden. Ein wichtiger Faktor, der die vorstehend aufgelisteten Desinfektionsmittel von anderen Sterilisierungsmitteln unterscheidet, ist ihre Fähigkeit, körnchenförmige oder pulverförmige Produkte leicht zu permeieren, was es erlaubt, dass das Desinfektionsmittel mit den auftretenden Schadstoffen in derartigen Produkten in Kontakt tritt.
  • Einige der voranstehend erwähnten herkömmlichen Sterilisierungsmittel oder Desinfektionsmittel sind mit der Bildung von Karzinogenen und Mutagenen identifiziert worden, was somit die Produkte, die behandelt werden können, einschränkt.
  • Andere Vorgehensweisen, die zur Behandlung von Produkten entwickelt worden sind, verwenden Wärme, ionisierende Strahlung und andere chemische Verbindungen. All diese Vorgehensweisen sind für die Ernährungsmerkmale, physikalischen und/oder chemischen Merkmale der Produkte potentiell schädlich und machen diese damit unerwünscht.
  • Damit bleibt ein Mittel zur Reduzierung biologischer Beladungen in Verbrauchsprodukten, um humane Pathogene zu eliminieren, während die Produktstabilität aufrechterhalten wird, eine Notwendigkeit. Dementsprechend besteht ein Bedarf nach besseren alternativen Methoden und Apparaturen zur Reduzierung der biologischen Beladung in Verbrauchsprodukten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist wünschenswert, eine große Vielzahl an Verbrauchsprodukten in Arbeitsschritten vom Kammertyp in einer kosteneffektiven Art und Weise zu behandeln. Das Verfahren und die Apparatur der vorliegenden Erfindung erlauben eine Sterilisation oder Desinfektion (im Folgenden als „Reduzierung biologischer Beladung" bezeichnet) eines Produkts in seinem Originalbehälter (zum Beispiel einer Leinentüte, einer Papptrommel, einer Packpapiertüte, einer Kunststofftüte usw.). Auf diese Weise werden eine doppelte Handhabung, ein Produktverlust und eine Nachbehandlungsverunreinigung reduziert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein gasförmiges Gemisch, das O1, O2 und O3 (im Folgenden als „Ox" bezeichnet) enthält, in einem technologisch fortgeschrittenen Behandlungssystem, das die früher aufgetretenen Beschränkungen mit einer O3-Behandlung von biologischer Beladung überwindet. Frühere O3-Behandlungen beinhalten beispielsweise (1) das Eintauchen eines zu sterilisierenden Gegenstands in ozonenthaltendes Wasser und das Übersprudeln von ozonisiertem Wasser über den Gegenstand (vgl. beispielsweise US-PS Nr. 4,517,159 von Karlson und US-PS Nr. 4,640,872 von Burleson); und (2) die statische Behandlung von medizinischen Vorrichtungen und Nahrungsmittelprodukten mit gasförmigem Ozon (siehe beispielsweise die US-PS Nr. 3,719,017 von Shapiro et al., US-PS Nr. 5,069,880 von Karlson und US-PS Nr. 5,120,512 von Masuda). Bei Systemen, die wie voranstehend beschrieben Ozon als ein Sterilisierungsmittel verwenden, ist man auf mehrere Einschränkungen gestoßen. Das Einbringen von Ozongas in Wasser und das nachfolgende Eintauchen eines zu sterilisierenden Gegenstands/zu sterilisierender Gegenstände oder das Aufsprühen von ozonbehandeltem Wasser auf die Oberfläche eines zu sterilisierenden Gegenstands/zu sterilisierender Gegenstände schränken den Prozess auf Produkte ein, die in Wasser eingeweicht werden können. Die wenigen gasförmigen Verwendungen von Ozon sind auf die Oberflächenbehandlung medizinischer Vorrichtungen und dergleichen wegen fehlendem angemessenen Eindringen in verdichtete Produkte eingeschränkt gewesen. Obwohl diese früheren Prozesse die Wirksamkeit von Ozon als ein Sterilisierungsmittel bewiesen haben, hat die Beschränkung der Verwendung von Ozon als eine Oberflächenbehandlung damit Ozon nicht als ein verlässliches Sterilisierungsmittel oder Desinfektionsmittel für Produkte gezeigt, die in kommerziellen Behältnissen enthalten waren. Des Weiteren waren bis vor kurzem Hochkonzentrationsozongeneratoren, die ein geeignetes Arbeiten der vorliegenden Erfindung erlaubt hätten, im Handel nicht erhältlich gewesen. Die vorliegende Erfindung erfordert eine relativ hohe Konzentration an Ox über eine ausgedehnte Behandlungsperiode, um die erforderliche Permeation des Ox in das Substrat, das behandelt wird, zu unterstützen. Zusätzlich zur Bildung des Ozonmoleküls verwendet die vorliegende Erfindung auch den Quench-Effekt anderer inerter Gase ein, um die Ozonbildung zu unterstützen, wodurch die Stabilität der Ox-Radikale erhöht wird. Eine Kombination von Sauerstoff, Kohlendioxid, Argon und Stickstoff ist in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet worden, um diese Faktoren zu erzielen. Zusätzlich zu den voranstehend erörterten Vorzügen führt die Verwendung geringer Mengen an Kohlendioxid zu einer Erhöhung der Respirationsrate bei Insekten und einigen Mikroben, was die Wirkung der Ox-Gase auf diese Weise weiter verstärkt. Darüber hinaus ist das Vorliegen von atmosphärischem Stickstoff in der Lebensmittelindustrie viele Jahre lang dazu verwendet worden, empfindliche Öle und Fette vor einem oxidativen Ranzigwerden zu schützen. Geringe Mengen an Stickstoff können in dem erfindungsgemäßen Verfahren dazu verwendet werden, den Schutz empfindlicher Lebensmittelkomponenten sowie die Stabilisierung der Ox-Bildung zu unterstützen.
  • Als eine Hilfe zum Verständnis der Erfindung, ohne jedoch dadurch eingeschränkt zu sein, basiert die vorliegende Erfindung auf der Entdeckung des Folgenden:
    • 1. Das Eintauchen in Wasser ist bei O3-Sterilisierung nicht notwendig und in vielen Fällen nicht wünschenswert;
    • 2. Die Verwendung von gasförmigem O3 in einer statischen Art und Weise liefert in vielen Fällen kein angemessenes Eindringen von O3 in Produkte, die behandelt werden;
    • 3. Das Behandeln eines Produkts in situ (kein erneutes Verpacken notwendig) ist wünschenswert;
    • 4. Die Verwendung kühlerer Temperaturen ist in vielen Fällen wünschenswert; und
    • 5. Die Vernichtung von Insekten und deren Eiern ist wünschenswert.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Apparatur zur Reduzierung biologischer Beladung in Verbrauchsprodukten.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Apparatur zur Reduzierung biologischer Beladung aus Verbrauchsprodukten in einer sicheren Art und Weise.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht damit in der Eliminierung der Gesundheitsrisiken, die mit der Reduzierung biologischer Beladung in Verbrauchsprodukten verbunden sind.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines einfachen, effizienten und ökonomischen Verfahrens sowie einer einfachen, effizienten und ökonomischen Apparatur zur Reduzierung biologischer Beladung in Verbrauchsprodukten, die in der Herstellungsanlage und/oder bei der Verpackung derartiger Produkte verwendet werden können.
  • Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
  • In Übereinstimmung mit dem Obengesagten und anderen Aufgaben umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Aufbringen eines kontinuierlichen Stromes von Ox-Gas auf ein Material in einer dicht verschlossenen Reduzierungskammer biologischer Beladung. Der kontinuierliche Strom von Ox-Gas wird in einer Ox-Bildungszelle hergestellt, die ein Mittel zur Bildung des Ox-Gases bei einem Druck von weniger als etwa 137,9·103 Pa (20 lbs/in2) beispielsweise unter Verwendung eines oder mehr der folgenden enthält: Corona-Entladung, elektrische Hochfrequenzentladung, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlung, radioaktives Isotop und Elektronenstrom.
  • Wie hierin erörtert, kann ein geringer Prozentsatz an N2, CO2 und/oder Ar während der Ox-Behandlung zugesetzt werden. Die Zugabe von 0% bis 15% N2, 1% bis 20% CO2 und/oder 1% bis 18% Ar erhöht die Erzeugung eines Ox-Quench-Effekts. Das Eindringen von Ox in das Material, das behandelt wird, wird auf diese Weise gesteigert. Zusätzlich ist Argon unter den (inerten) Edelgasen darin einzigartig, sowohl in Wasser als auch in organischen Flüssigkeiten löslich zu sein (Merck-Index, 11. Ausgabe). Dieses Charakteristikum ermöglicht es theoretisch, dass Argon zu einer Art Klebstoff wird. Argon ist dazu in der Lage, sich an Gasen anzulagern, ohne mit ihnen zu reagieren. Argon unterstützt auf diese Weise das Ox-Quenchen, indem es an die Ox-Moleküle anlagert und verhindert, dass die Ox-Moleküle miteinander kollidieren. Argon bindet auch lose hydrophile und hydrophobe Materialien, was es ermöglicht, dass eines durch das andere diffundiert, ohne dass sie miteinander reagieren. Dieses Charakteristikum ist zur Beschleunigung der Diffusion von Ox in hydrophilen Materialien wie Fetten, Ölen und Zellwänden sowie durch diese Materialen nützlich.
  • Die mit dem Verfahren der Erfindung zu verwendende Apparatur umfasst:
    • (a) eine Reduktionskammer biologischer Beladung;
    • (b) eine mit der Reduktionskammer biologischer Beladung verbundene Vakuumpumpe;
    • (c) eine Ox-Bildungszelle, wobei die Ox-Bildungszelle ein Mittel zur Bildung von Ox bei einem Druck von weniger als etwa 137,9·103 Pa (20 lbs/in2) beispielsweise unter Verwendung eines der folgenden enthält: Corona-Entladung, elektrische Hochfrequenzentladung, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlen, radioaktives Isotop und Elektronenstrahl;
    • (d) ein mit der Reduzierungskammer biologischer Beladung und der Ox-Bildungszelle verbundenes erstes Kontrollventil, wobei das erste Kontrollventil dazu in der Lage ist, es zu ermöglichen, dass Ox von der Ox-Bildungszelle in die Reduzierungskammer biologischer Beladung gezogen wird; sowie
    • (e) ein mit der Reduzierungskammer biologischer Beladung verbundenes zweites Kontrollventil, wobei das zweite Kontrollventil dazu in der Lage ist, in der Reduzierungskammer biologischer Beladung enthaltenes Ox aus der Reduzierungskammer biologischer Beladung abzuziehen.
  • Wasserdampf kann in das gasförmige Ox eingeführt werden, um ein geeignetes Feuchtigkeitsniveau, d.h. zwischen etwa 20% und 98% relative Feuchtigkeit und stärker bevorzugt zwischen etwa 40% und 75% relative Feuchtigkeit, aufrechtzuerhalten. Das geeignete Feuchtigkeitsniveau hängt von der Umgebungs feuchtigkeit und von dem Produkt, das behandelt wird, ab. Beispielsweise erfordern körnchenförmige und pulverförmige Produkte ein relativ niedriges Feuchtigkeitsniveau, um das Wachsen von Schimmel und Hefe darauf zu verhindern. Jedoch entfernt das während des Prozesses erzeugte Vakuum in Abhängigkeit von der Länge der Behandlungszeit die Feuchtigkeit, was die Zugabe von Feuchtigkeit erforderlich macht. Das Ox-Gas kann nachfolgend durch eine im Handel erhältliche katalytische Zerstörungseinheit geführt werden, um ein verbleibendes O3 und O1 zu vernichten, bevor der Gasstrom an die Atmosphäre abgelassen wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf behandelte Verbrauchsprodukte gerichtet, die aus der Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung resultieren.
  • Zusätzliche Aufgaben und begleitende Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung und den folgenden Beispielen dargelegt oder können bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der Verwendung der Apparatur der vorliegenden Erfindung erlernt werden. Diese und andere Aufgaben und Vorteile können mittels der Merkmale, Mittel und/oder Kombinationen, die hierin besonders beschrieben sind, bewerkstelligt und erzielt werden. Es versteht sich auch, dass die voranstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung nur exemplarisch und erläuternd sind und nicht so betrachtet werden sollen, dass sie die beanspruchte Erfindung einschränken oder beschränken.
  • Die Erfindung selbst wird zusammen mit weiteren Aufgaben und begleitenden Vorteilen unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen am besten verstanden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Verwendung eines kontinuierlichen Stroms an Ox zur Reduzierung biologischer Beladung in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Apparatur zur Verwendung eines kontinuierlichen Stroms an Ox zur Reduzierung biologischer Beladung in Übereinstimmung mit dem Verfahren der Ausführungsform in 1 zeigt.
  • 3 ist ein Graph, der die Permeation von Ox-Gas für (a) VVP + CO2 + Ox gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, (b) VVP + Ox gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und (c) statisch + Ox gemäß der herkömmlichen Verwendung von gasförmigem Ox in einer statischen Art und Weise vergleicht.
  • In der folgenden Beschreibung werden in allen Figuren gleiche Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Das antibakterielle Potential von O3 ist viele Jahre lang anerkannt gewesen. O3 wird weitreichend als ein Desinfektionsmittel zur Behandlung von Abwasser und zur Reinigung von Trinkwasser verwendet. Als eine Reduzierungsbehandlung biologischer Beladung für medizinischen Bedarf und Verbrauchsgüter hat es jedoch keine Akzeptanz erlangt. Der primäre Grund dafür liegt darin, dass das O3-Molekül hochgradig instabil ist und sich schnell zu O2 zurück umwandelt, wenn es kein zugängliches Substrat vorfindet, mit dem es reagieren kann. Ozon besitzt auch die Fähigkeit, mit einem breiten Spektrum an Substraten zu reagieren, und man würde erwarten, dass es mit Verpackungsmaterialien reagiert, die die Gegenstände umgeben, die sterilisiert werden. Dies reduziert die Anzahl an O3-Molekülen weiter, die einer Reaktion mit mikrobiellen Verunreinigungen und einer Inaktivierung mikrobieller Verunreinigungen zugänglich sind.
  • Frühere Versuche zur Verwendung von O3 als eine Reduzierungsbehandlung biologischer Beladung beinhalten das Verlassen auf das Füllen einer Sterilisierungskammer mit O3 und das Aussetzen der zu behandelnden Materialien in statischer Art und Weise für verschiedene Zeitspannen, ohne O3 wieder zu ergänzen. Dazu sei beispielsweise auf die US-PS Nr. 3,719,017 und 5,069,880 verwiesen. Unter diesen Bedingungen würde man erwarten, dass die Konzentration an O3 im Inneren der Kammer aufgrund der kurzen Halbwertszeit von O3, die typischerweise weniger als 20 Minuten beträgt, schnell auf ein Niveau abnimmt, das unterhalb dessen liegt, was für eine effektive Reduktion biologischer Beladung erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil der Technologie mittels statischen Aussetzens ist das Verlassen auf eine einfache Diffusion zur Förderung der Permeation der O3-Moleküle durch Verpackungsmaterialien und in Hohlräume und Zwischenräume der Materialien, die behandelt werden. Damit erzielen derartige Verfahren keine adäquate Permeation in das Material, das behandelt wird.
  • Die vorliegende Erfindung, die als „dynamische Reduzierung biologischer Beladung durch Ox" bezeichnet worden ist, bietet erhebliche Vorteile gegenüber der früheren statischen Reduzierungstechnologie biologischer Beladung darin, dass sie eine einheitlich hohe Konzentration an Ox, d.h. zwischen etwa 3% und 16% über den gesamten Behandlungszyklus bietet und eine schnelle Permeation von Ox durch die Verpackungsmaterialien und in die Hohlräume und Zwischenräume der Materialien fördert, die der Behandlung unterzogen werden. Ein kontinuierlicher Betrieb der Vakuumpumpe und des Ox-Generators während der Reduzierung biologischer Beladung gewährleistet, dass die Konzentration an Ox während des gesamten Prozesses hoch bleibt, indem neu gebildete Ox-Moleküle konstant zugeführt werden, um diejenigen Moleküle, die spontan zu inaktivem O2 abgebaut worden sind, und diejenigen, die während des Prozesses reagiert haben, zu ersetzen. Der Betrieb der Vakuumpumpe während des Verfahrens, wie es in der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, erhält auch eine kontinuierliche Druckdifferenz aufrecht, die Ox-Moleküle aktiv durch Verpackungsmaterialien und in die Materialien, die behandelt werden, zieht.
  • Eine dynamische Reduzierung biologischer Beladung durch Ox bietet erhebliche Kostenvorteile gegenüber existierender Reduzierungstechnologie biologischer Beladung. Die erheblichsten Einsparungen leiten sich von der Tatsache ab, dass das Ox-Reduzierungsgas biologischer Beladung während des Prozesses in der Anlage gebildet werden kann.
  • Da Ox nicht entflammbar oder explosiv ist, müssen die Anlagen keinen schadenbeschränkenden Aufbau oder keine explosionsgeschützte Ausstattung beinhalten. Ein weitere Vorteil der dynamischen Reduzierung biologischer Beladung durch Ox besteht darin, dass das Waschen leicht unter Verwendung bestehender Technologie bewerkstelligt werden kann. Darüber hinaus wird O3 von der U.S. Food and Drug Administration als eine allgemein als sicher anerkannte „GRAS"-Substanz klassifiziert.
  • Der erfindungsgemäße dynamische Reduzierungsprozess biologischer Beladung durch Ox hat sich in der Behandlung einer großen Vielfalt an Materialien als erfolgreich erwiesen, die medizinische Produkte, Gewürze, Aromastoffe sowie Verpackungsmaterialien beinhalten.
  • Im folgenden wird auf 3 Bezug genommen, die ein Graph ist, der die Permeation von Ox-Gas für (a) VVP + CO2 + Ox ge mäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, (b) VVP + Ox gemäß dem Verfahren der Erfindung und (c) statisch + Ox gemäß der herkömmlichen Verwendung von gasförmigem Ox in einer statischen Art und Weise vergleicht. Der statische Fluss von Gas (c) zeigte eine beschränkte Permeation, die schnell vollkommen aufhört. Der (VVP)-Prozess (a) und (b) zeigte andererseits ein kontinuierliches Fortschreiten durch die gepackte Säule; wobei der chemische Indikator vollständig abgereichert worden ist. Das erfindungsgemäße Verfahren steigert die Permeabilität von Ox-Gasen in Behältnisse von handelsüblicher Größe mit kornförmigen und gepulverten Lebensmittelkomponenten. Die Beobachtung von lebenden Insekten sowie mikrobiologischen und chemischen Indikatoren ist dazu verwendet worden, die Aufnahme letaler Dosen an Ox in diese Behältnisse zu messen. Über Vergleichsdaten (vgl. 3) ist gezeigt worden, dass ein statischer Fluss an Ox-tragendem Gas (Kurve (c)) beim Eintreiben des Ox in die Behältnisse uneffektiv ist. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet einen hierin als den dynamischen Vakuum-Dampfphasen-Fluss (Vacuum Vapor Phase Dynamic Flow) (VVP) beschriebenen Prozess. Theoretisch und durch empirischen Beweis gestützt, fungiert VVP als die Antriebskraft zur Steigerung der Permeation der Ox-Gase durch zwei Faktoren. Der erste Faktor besteht in der molekularen Beschleunigung der Ox-Gase aufgrund des „Flashens" des konzentrierten Ox-Gases in die Behandlungskammer mit reduziertem Druck. Dies erzeugt eine Antriebskraft auf molekularem Niveau, die kontinuierlich die Ox-Gase in das Produkt, das behandelt wird, treibt. Der zweite Faktor besteht in der resultierenden Reduktion der Moleküle in der Behandlungskammer mit reduziertem Druck, die das Auftreten einer molekularen Kollision der Ox-Gase reduziert. Eine molekulare Kollision der Ox-Gase verursacht einen schnellen Abbau der O3- und O1-Radikale, die darin vorliegen, wodurch die Wirksamkeit der Gase reduziert wird. Ohne den VVP-Prozess könnte der Ox-Gasfluss nur als eine Oberflächenbehandlung nicht-amorpher Materialien verwendet werden und daher dehnt der VVP-Prozess die Fähigkeiten der vorliegenden Erfindung auf Verfahren auf nahezu jede Art von Produkt in situ aus und schließt auf diese Weise die Notwendigkeit des erneuten Verpackens des Produkts nach der Behandlung aus.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert viele der Einschränkungen früherer Praktiken, indem sie das Bedürfnis nach Besprühen des zu behandelnden Substrats mit Wasser und/oder Eintauchen des zu behandelnden Substrats in Wasser vermeidet. Viele Produkte wie Gewürze, Produkte auf Mehlbasis, Produkte auf Zuckerbasis, Kosmetikbasen, Kräuter und Pflanzen, die gegenüber hohen Feuchtigkeitsniveaus empfindlich sind, können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umgeht auch den Bedarf nach einem Öffnen einer herkömmlichen kommerziellen Verpackung vor der Behandlung, wodurch ein nicht notwendiger Produktabbau und Verlust vermieden wird. Das Produkt wird in situ unter Verwendung einer herkömmlichen Metallkammer in situ behandelt, wobei das Produkt in seiner normalen Transportform gelagert wird. Frühere Verfahren haben erfordert, dass das Produkt bewegt, gemischt, durchperlt oder während oder unmittelbar nach Abschluss des Verfahrens erneut verpackt wird. Aufgrund der erhöhten Permeation des VVP-Prozesses und des Ox-Gasgemisches werden diese schädlichen Handhabungspraktiken vermieden. Das einzigartige Gasgemisch unterstützt auch die Stabilisierung der Ox-Bildung durch seinen Quench-Effekt. Die verlängerte Halbwertszeit der Ox-Radikale ermöglicht es, dass die aktiven Teile des Behandlungsgases das Substrat vollständig durchdringen und beim Angriff auf Organismen mitwirken. In Kombination mit Kohlendioxid wird das stabilisierte Ox-Gasgemisch durch die erhöhten Respirationsraten des angreifenden Organismus/der angreifenden Organismen weiter aufgewertet, wenn diese in Gegenwart der permeierten Ox-Gase vorliegen. Traditionelle Desinfektionsmittel und Sterilisierungsmittel haben erhöhte Temperaturen über ausgedehnte Zeiträume benötigt, um wirksam zu sein. Im Falle wärmeempfindlicher Produkte wie Obst und Gewürze kann die Haltbarkeit und/oder Qualität des Produkts während einer derartigen Behandlung stark beeinträchtigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren schützt derartige Produkte, indem sie unter relativ kühlen Bedingungen, d.h. zwischen etwa 0°C (32°F) und 26,7°C (80°F) verarbeitet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2 kann eine gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Apparatur eine Reduzierungskammer 1 biologischer Beladung enthalten, die mit einer abgedichteten Tür 2 ausgestattet ist, die zum Einbringen des Materials 3 in die Reduktionskammer 1 biologischer Beladung geöffnet und dicht verschlossen und verriegelt werden kann. Die Reduktionskammer 1 biologischer Beladung ermöglicht ein vakuumdichtes Versiegeln während des Prozesses. Die Kammer 1 ist über eine Rohrleitung und geeignete Kontrollventile 4 mit einer Vakuumpumpe 5 und getrennt davon mit einem Generator von Ox 6 verbunden, der wiederum mit einem Gaswäscher 14 und einer luftpräparierungsregulierten Einspeisungsgaszufuhr 15 verbunden ist. Die Reduzierungskammer 1 biologischer Beladung ist mit Wendeln eines Metallrohrs 11 ummantelt, durch das erwärmtes oder abgekühltes Wasser, was durch ein Temperaturkontrollsystem 7 (z.B. Glykol) erzeugt wird, gepumpt werden kann, um die Temperatur im Inneren der Kammer 1 während des Reduzierungsprozesses biologischer Beladung zu regulieren. Der gesamte Reduzierungsprozess biologischer Beladung kann durch eine programmierbare Industrieprozesskontrolleinrichtung 8 kontrolliert und überwacht werden. Die Kammer 1 ist auch mit einer Wasserdampf quelle 12 verbunden, um eine Feuchtigkeitskontrolle bereitzustellen.
  • Gemäß dem Verfahren der Ausführungsform wird das Material 3, dessen biologische Beladung reduziert werden soll, in die Re duzierungskammer 1 biologischer Beladung eingebracht und die Tür 2 wird verschlossen und verriegelt. Der Prozess wird dann initiiert, indem die Prozesskontrollvorrichtung 8, die vorher mit den geeigneten Prozessparametern, wie Druck, Temperatur und Feuchtigkeit, programmiert worden ist, aktiviert wird. Die Kontrollvorrichtung 8 aktiviert zunächst die Vakuumpumpe 5 und Nebenventile 4, um den Druck der Reduzierungskammer biologischer Beladung in Abhängigkeit von der Druckempfindlichkeit des Produkts, das behandelt wird, auf ein vorher festgelegtes Niveau zu reduzieren, um über die Wasserdampfquelle 12 die gewünschte Feuchtigkeit einzuführen und über das Temperaturkontrollsystem 7 eine gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten. Nachdem das geeignete Vakuumniveau erreicht worden ist, initiiert die Kontrollvorrichtung 8 die Reduzierung biologischer Beladung, indem der Ox-Generator 6 aktiviert wird und ein Kontrollventil 10 geöffnet wird, was es ermöglicht, dass der gewaschene Ox-Strom durch die Druckdifferenz in die Kammer 1, durch diese hindurch und aus dieser heraus gezogen wird. Die Vakuumpumpe 5 und der Ox-Generator 6 arbeiten während des Prozesses kontinuierlich.
  • Das Einwirken des Ox-Gasgemisches kann zeitlich von mehreren Minuten bis mehrere Stunden in Abhängigkeit von Material, das behandelt wird, variiert werden. Ist die Reduzierungsphase biologischer Beladung einmal abgeschlossen, werden die Vakuumpumpe 5 und der Ox-Generator 6 inaktiviert und man lässt frische Luft über das Luftspülventil 13 in die Kammer 1 eintreten. Sämtliche Ox-Gase können dann durch eine im Handel erhältliche katalytische Zerstörungseinheit 9 geleitet werden, die sämtliches verbleibendes O3 und O1 zerstört, bevor der Gasstrom an die Atmosphäre abgegeben wird. Das behandelte Material 3 kann dann aus der Kammer 1 entfernt werden und ist nach geeigneten Tests zur Bestätigung der Reduzierung biologischer Beladung verwendungsfertig.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter erläutert werden. Beispiel 1 Ox-Behandlung von schwarzem Pfeffer (Piper nigrum L.) in situ (50 kg Leinensäcke) (1) Parameter
    O3-Konzentration: 5,4 Gew.-%
    CO2-Konzentration: 6,0 Gew.-%
    Argon-Konzentration: 2,5 Gew.-%
    Kammertemperatur: 12°C
    Relative Feuchtigkeit: 64%
    Zeit (VVP): 16 Stunden
    Druck: 40,0·103 Pa (5,8 p.s.i.a.)
    (2) Ergebnisse
    Figure 00170001
    Beispiel 2 Ox-Behandlung von Echinacea purpurea in situ (50 kg Kunststoffgewebesäcke) (1) Parameter
    O3-Konzentration: 4,8 Gew.-%
    CO2-Konzentration: 9,5 Gew.-%
    Argon-Konzentration: 3,0 Gew.-%
    Kammertemperatur: 17°C
    Relative Feuchtigkeit: 70%
    Zeit (VVP): 20 Stunden
    Druck: 32,4·103 Pa (4,7 p.s.i.a.)
    (2) Ergebnisse
    Figure 00180001
    Beispiel 3 Ox-Behandlung von Milchdistelsamen in situ (80 Pound Kunststoffgewebesäcke) (1) Parameter
    O3-Konzentration: 4,5 Gew.-%
    CO2-Konzentration: 5,0 Gew.-%
    Argon-Konzentration: 1,0 Gew.-%
    Kammertemperatur: 20°C
    Relative Feuchtigkeit: 60%
    Zeit (VVP): 24 Stunden
    Druck: 24,1·103 Pa (3,5 p.s.i.a.)
    (2) Ergebnisse
    Figure 00190001
    Beispiel 4 Ox-Behandlung von Alfalfa-Samen in situ (50 Pound Tuchsäcke) (1) Parameter
    O3-Konzentration: 3,5 Gew.-%
    CO2-Konzentration: 1,0 Gew.-%
    Argon-Konzentration: 1,0 Gew.-%
    Kammertemperatur: 22°C
    Relative Feuchtigkeit: 30%
    Zeit (VVP): 12 Stunden
    Druck: 51,7·103 Pa (7,5 p.s.i.a.)
    (2) Ergebnisse
    Figure 00190002
    Figure 00200001
    Beispiel 5 Ox-Behandlung von Nabelorangen für Bean-Thrips-, Red-Scale- und Fuller-Rosenkäfer (1) Parameter
    O3-Konzentration: 4,0 Gew.-%
    CO2-Konzentration: 10,0 Gew.-%
    Argon-Konzentration: 1,0 Gew.-%
    Kammertemperatur: 20°C
    Relative Feuchtigkeit: 30%
    Zeit (VVP): 2 Stunden
    Druck: 65,5·103 Pa (9,5 p.s.i.a.)
  • (2) Ergebnisse
  • Sämtliche ausgewachsene Larven und Eier (nur Fuller-Rosenkäfer) wurden in dem Prozess getötet. Die behandelte Frucht wurde 28 Tage lang nach der Behandlung inkubiert, um zu gewährleisten, dass alle drei Lebenszyklen zerstört worden waren.
  • Die Bacillus-subtilis-Sporen-Streifen sind standardisierte Kontrollstreifen, die von Amsco Medical Product, Erie, Pennsylvania hergestellt werden und als Standard für kommerzielle Sterilisierungsprozesse verwendet werden.
  • EO und Wärme sind in der Vergangenheit dazu verwendet worden, um verschiedene Futtersamen zu entkeimen, um die Möglichkeit einer Keimbildung auszuschließen, wo dies unerwünscht wird oder ein Problem bezüglich eines Unkrautwachstums darstellen würde. Bestimmte Samen (z.B. Saflor), für die man herausgefunden hat, dass sie gegenüber EO-Gas empfindlich sind, werden unter Verwendung der vorliegenden Erfindung leicht entkeimt. Durch Kontrolle bestimmter Parameter ist herausgefunden wurden, dass einige Samentypen (z.B. Alfalfa) sehr resistent gegenüber einer Schädigung durch Ox-Gase sind, was die vorliegende Erfindung einer Bearbeitung dieser Samen mittels einer mikrobiologischen Reduzierung zugänglich machen würde, während ein hoher Prozentsatz an Keimbildung immer noch aufrechterhalten wird.
  • Das erfindungsgemäße dynamische Reduzierungsverfahren biologischer Beladung ist damit ein ausgezeichneter Ersatz für herkömmliche Sterilisierungsmittel und Desinfektionsmittel in allen ihren gegenwärtigen Verwendungen und ist auch für die Behandlung vieler Lebensmittelbestandteile brauchbar, für die eine Verwendung von im Handel erhältlichen Sterilisierungsmitteln und Desinfektionsmitteln nicht erlaubt ist, welche Kakaobohnen, Getreide und Essgummis einschließen.
  • Es hat sich auch gezeigt, dass der dynamische Ox-Reduzierungsprozess biologischer Beladung in hohem Maße insektizid ist und daher ein verwendbarer Ersatz für bestimmte gegenwärtige Verwendungen von Methylbromid ist, das unter der Anordnung des Protokolls von Montreal von 1997 bald verboten werden soll, wie es hierin diskutiert worden ist.

Claims (31)

  1. Verfahren zur dynamischen Reduzierung biologischer Beladung durch Ox, umfassend eine Stufe des Erzeugens und Aufrechterhaltens eines Vakuums in einer Reduzierungskammer biologischer Beladung, eine Stufe des Aufbringens eines kontinuierlichen Ox-Stromes durch konstantes Zuführen neugebildeter Ox-Moleküle, wobei das Ox in einem gasförmigen Gemisch O1, O2 und O3 enthält, auf ein Material in einer dicht verschlossenen Reduzierungskammer biologischer Beladung, des Erzeugens eines Druckunterschieds zwischen der Reduzierungskammer biologischer Beladung und einer Ox-Bildungszelle zum Bilden von Ox und Aufrechterhalten der Druckdifferenz während des kontinuierlichen Aufbringens des Ox-Stromes auf das Material, und des Weiteren umfassend das kontinuierliche Abziehen von Ox aus der dicht verschlossenen Reduzierungskammer biologischer Beladung durch Betrieb einer Vakuumpumpe während des Verfahrens, um eine kontinuierliche Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, die dazu ausreichend ist, das Ox kontinuierlich durch die Reduzierungskammer biologischer Beladung abzuziehen, wobei das O3 in der Reduzierungskammer biologischer Beladung bei einer Konzentration von etwa 0,1% bis etwa 25% bezogen auf das Gesamtgewicht der Gase in der Reduzierungskammer biologischer Beladung gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren das Bewegen des Ox in der Reduzierungskammer biologischer Beladung zur Erhöhung der Permeation des Ox in dem Material umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Gebläseluft verwendet wird, um das Ox zu bewegen.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bewegen das Ox gleichmäßig durch die Reduzierungskammer biologischer Beladung verteilt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ox-Bildungszelle einen Ox-Generator umfasst, der dazu in der Lage ist, Ox bei einem Druck von weniger als 137,9·103 Pa (20 lbs/in2) zu bilden und aus einem oder mehr aus der Gruppe, bestehend aus Koronaentladung, elektrischer Hochfrequenzentladung, Ultraviolettlicht-, Röntgen-, Radioaktivisotopen- und Elektronenstrahl ausgewählt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ox in der Reduzierungskammer biologischer Beladung bei einer Konzentration von etwa 0,1% bis etwa 100 bezogen auf das Gesamtvolumen der Gase in der Reduzierungskammer biologischer Beladung gehalten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das O3 in der Reduzierungskammer biologischer Beladung bei einer Konzentration von etwa 3% bis etwa 16% bezogen auf das Gesamtgewicht der Gase in der Reduzierungskammer biologischer Beladung gehalten wird, wobei eine verwendete Menge an O3 von dem Material abhängt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Verwendung einer Reduzierungskammer biologischer Beladung von etwa 2830 l (100 ft.3) bis etwa 226400 l (8000 ft.3) umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Verwendung einer Reduzierungskammer biologischer Beladung von etwa 28,3 l (1 ft.3) bis etwa 2830 l (100 ft.3) umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren das Kontrollieren von in dem kontinuierlichen Ox-Strom enthaltenem Was serdampf vor dem Aufbringen des kontinuierlichen Ox-Stromes auf das Material umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ox aus Umgebungsluft oder Komponenten der Umgebungsluft gebildet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ox aus Sauerstoffquellen, die gasförmigen Sauerstoff, flüssigen Sauerstoff, H2O und Quecksilberoxid beinhalten, gebildet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Nahrungsmittelprodukt ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein medizinisches Produkt ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein kosmetischer Inhaltsstoff ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Nahrungsergänzungsmittel ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material botanisch ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Nutraceutical ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein pharmazeutischer Inhaltsstoff ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Verpackungsmaterial ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Gärtnereiprodukt ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Farbadditiv ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Samen ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Körperpflegeprodukt ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Tierfutter ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Aromastoff ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die biologische Beladung ausgewählt ist aus einer Gruppe von lebenden Einheiten, die Insekten, Bakterien, Viren, Algen, Schimmelpilze, Nematoden, Parasiten und Unkrautsamen einschließt.
  28. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Feuchtigkeit einer Atmosphäre in der Reduzierungskammer biologischer Beladung zwischen etwa 20% und etwa 98% liegt.
  29. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Temperatur in der Reduzierungskammer biologischer Beladung zwischen etwa 0°C (32°F) und etwa 26,7°C (80°F) liegt.
  30. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Flussrate des kontinuierlichen Ox-Stromes in der Reduzierungskammer biologischer Beladung zwischen etwa 3,53 L/min/m3 (0,1 L/min/ft3) und etwa 70,7 L/min/m3 (2 L/min/ft3) liegt.
  31. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren das Aufbringen eines kontinuierlichen Stromes von einem oder mehr aus einem Gas, das aus der Gruppe, bestehend aus N2, CO2 und Ar, ausgewählt ist, zusätzlich zu dem kontinuierlichen Ox-Strom umfasst.
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