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Verfahren zur Vernichtung vegetativer Mikroorganismen in einem beliebigen
Medium mit Hilfe baktericider Strahlungsenergie
Die Erfindung bezieht sich auf die
wirksamste Anwendung von ultraviolettem Licht, Röntgenstrahlen oder strahlender
Energie in anderer Form zum Töten von Bakterien und anderen Mikroorganismen sowie
wuchernden Teilen größerer Organismen, derart, daß eine maximale Abtötungswirkung
mit einem Mindestmaß von schädigender Wirkung erzielt wird.
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Die Erfindung will demnach die strahlende Energie so verwendbar machen,
daß das Höchstmaß von günstiger Wirkung mit dem Mindestr;aß schädigender Wirkung
erreicht wird.
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Weiter will die Erfindung die verwendete strahlende Energie so zur
Einwirkung bringen, daß sie über einen Zeitabschnitt wirkt, der wenigstens einer
Lebensperiode der unter den vorliegenden Verhältnissen zu tötenden Zellen entspricht,
so daß wenigstens ein Teil der Bestrahlung der Zellen eintritt, wenn diese dafür
am empfänglichsten sind.
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Weiter verfolgt die Erfindung das Ziel, die strahlende Energie zur
bakterientötenden Wirkung in der wirksamsten Weise dadurch zu benutzen, daß sie
gestattet, daß vor der Irradiation eine gewisse Reife oder Inkubation der zu tötenden
Mikroorganismen oder sonstigen Zellen eintritt, um das auszumerzen, was man als
Verzögerungsperiode bezeichnet hat, und dadurch auf die Zellen in Zeitpunkten einzuwirken,
in denen sie am empfindlichsten bei einem Minimum von notwendiger Gesamtstrahlung
sind.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung erörtert, und
zwar zeigt
Fig. -1 ein Schema der bevorzugten Anordnung zur Messung
der integrierten Größe der gesammelten Strahlungsenergie; Fig. 2 ist ein Kurvenblatt,
welches die Ultraviolettintensität der Strahlungsquelle und die an den Bakterien
selbst angibt und Kurven enthält, welche Beispiele für die Änderung der baktericiden
Wirkung auf den E. Coli-Bazillus bei der gleichen Ultraviolettdosis, über verschiedene
Zeiträume verteilt und bei zwei verschiedenen Temperaturen, erläutern sollen; Fig.
3 ist ein Kurvenblatt, welches eine Kurve zeigt, die ein Beispiel für die Änderung
der baktericiden Wirkung auf den Proteus vulgaris bei gleicher Ultraviolettgesamtdosierung,
über verschiedene Zeiträume verteilt und bei einer Temperatur von etwa 23° C, erläutern
soll; Fig. 4 zeigt mit grünem Schimmel besäte Petrischalen, um Beispiele für die
Änderung der fungiciden Wirkung bei gleicher Ultraviolettgesamtdosierung, über verschiedene
Zeiträume verteilt und bei einer Temperatur von etwa 210 C, darzustellen; Fig. 5
zeigt eine Kurve der Kehrwerte der auftreffenden Energien, welche bei der Vernichtung
von 50 01o der E. Coli-Bazillen verwendet werden, und stellt die relative baktericide
Wirkung ultravioletter Strahlen mit Wellenlängen von 2400 bis 3000 Ängströmeinheiten
dar; Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Geräts, welches bei der Durchführung
der vorliegenden Erfindung benutzt wurde; Fig. 7 ist ein Kurvenblatt, welches die
Beziehung zwischen dem Prozentsatz der abgetöteten Bakterien und der Bestrahlungsdauer
bei einer bestimmten verhältnismäßig kohen Intensität zeigt; Fig. 8 ist ein entsprechendes
Kurvenblatt, in welchem die dort angewendete Intensität sich nur auf einen kleinen
Bruchteil derjenigen von Fig. 7 beläuft; Fig. g ist ein Kurvenblatt, welches das
Verhältnis in Prozenten zwischen der nach Fig. 8 und der nach Fig. 7 verwendeten
Energie in den entsprechenden Phasen der Sterilisierung anzeigt; Fig. IO und II
sind entsprechende Ansichten eines .abgeänderten Apparates; Fig. I2 ist ein Kurvenblatt,
welches den Anteil der Strahlung, die durch Milchfilme verschiedener Dicken hindurchgeht,
zeigt.
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Das übliche Verfahren zur Bestrahlung von Bakterien, Schimmel, Hefe,
sonstigen Mikroorganismen und aktiven Teilen größerer Lebewesen zwecks deren Vernichtung
besteht darin, daß man sie einer Quelle elektromagnetischer Strahlen so lange und
mit einer solchen Intensität aussetzt, daß das Verhältnis der Anzahl der vernichteten
Organismen zu der ursprünglichen Anzahl gleich NIN, e-Kit ist. Hierin bedeutet:
N Anzahl der Organismen nach der Bestrahlung, No die ursprüngliche Anzahl, e die
Basis der Napierschen Logarithmen, K eine Konstante, i die Intensität der Strahlung,
t die Dauer der Bestrahlung.
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Dies ist das wohlbekannte Bunsen-Roscoesche Reziprozitätsgesetz,
welches erwiesenermaßen für photochemische Reaktionen, für die Vernichtung von Bakterien
oder sonstigen Mikroorganismen durch Chemikalien, Hitze oder elektromagnetische
Strahlen sowie sonstige physikalische und chemische Phänomene gilt.
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Das Schrifttum enthält Berichte über die anregende Wirkung sehr schwacher
Strahlen auf Organismen und Zellen und noch weitere Angaben über den Gebrauch hoher
und niedriger Intensitäten, bei welchen keine beweiskräftigen Ergebnisse erhalten
wurden. Edith H. Quimby hat eine Zusammenfassung des Schrifttums besorgt, und es
erhebt sich nun die Frage, ob bei der Vernichtung lebender Zellen kurzzeitige Bestrahlung
bei hoher Intensität oder langzeitige Bestrahlung bei niedriger Intensität die größere
Wirkung hat.
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Die Erfinder waren die ersten, welche ein Verfahren entdeckten, durch
welches Bakterien, Schimmel und sonstige Zellen durch elektromagnetische Strahlen
wirkungsvoller vernichtet werden können, wenn man anstatt kurzzeitiger Bestrahlung
bei hoher Intensität eine langzeitige Bestrahlung bei niedriger Intensität verwendet.
Es wurde mit anderen Worten bewiesen, daß das Reziprozitätsgesetz bei der Vernichtung
sich teilender Zellen nicht gilt, falls sehr niedrige Intensitäten verwendet werden.
Das Verfahren ist insofern von Nutzen, als nur 115 bis herab zu 1/,, derjenigen
gesamten Strahlungsmenge benötigt wird, welche unter normalen Verhältnissen, in
den Größen des Reziprozitätsgesetzes ausgedrückt, verwendet werden würde. Es kommt
daher hierbei keine schädliche Wirkung zustande oder doch- nur eine minimale Einwirkung
auf den infizierten Wirt bzw. das infizierte Produkt, wie aus den Beispielen hervorgeht.
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Das vorliegende Verfahren zur Vernichtung von Bakterien, Hefe und
anderen Zellen beruht auf der wissenschaftlichen Tatsache, daß sich vermehrende
lebende Zellen einen Lebenszyklus durchmachen, d. h. eine lebende Zelle wächst unter
optimalen Bedingungen und vermehrt sich durch Teilung, wobei zwei neue Zellen entstehen.
In diesem Lebenszyklus gibt es einen Zeitabschnitt, in welchem die Zelle gegenüber
elektromagnetischen Strahlen empfindlicher ist als während irgendeines anderen Zeitabschnitt
es ihres Lebenszyklus. Diese Tatsache macht man sich zunutze, indem man die Zellen
mit einer Mindestdosis bestrahlt, welche genügt, um die Zellen zu vernichten, wenn
sich dieselben in ihrem empfindlichen Stadium befinden, die aber nicht groß genug
ist, um eine schädliche Wirkung auf den Wirt oder das Produkt auszuüben. Dies wird
dadurch erreicht, daß man die Zellen lange Zeit bestrahlt.
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Bei dem vorliegenden Verfahren muß die Schnelligkeit der Zellteilung
als wichtiger Faktor in Rechnung gezogen werden. Dies wird aus den Beispielen noch
deutlicher hervorgehen.
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Die Zellteilung darf in keiner Weise mit dem Übergang einer Spore,
eines Bakteriums oder eines Schimmels in ein vegetatives Stadium verwechselt werden.
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Bei dem vorliegenden Verfahren handelt es sich lediglich um vegetative
Zellen, welche sich durch Spaltung teilen. Jede Spore, welche sich im Laufe der
Bestrahlung in eine vegetative Zelle zurückverwandeln sollte, wird durch das vorliegende
Verfahren vernichtet, jedoch zeigt das vorliegende Verfahren keine Wirkung bei der
Vernichtung von Sporen, noch sollen durch das-
selbe Sporen in das
vegetative Stadium übergeführt werden.
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Es wurde festgestellt, daß das Versagen des besagten Reziprozitätsgesetzes
bei Verwendung sehr niedriger Intensitäten gerade in entgegengesetzter Richtung
liegt, als man normalerweise unter den vorliegenden Umständen hätte erwarten können.
Um dies noch deutlicher klarzulegen, wird darauf hingewiesen, daß man natürlich
erwarten müßte, daß die Strahlendosis, welche erforderlich ist, um ein Bakterium
bei langer Bestrahlung abzutöten, größer sein muß als bei kurzzeitiger Bestrahlung,
weil sich ja der Organismus während seiner Bestrahlung in gewissem Umfange erholt.
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Das Gegenteil wurde festgestellt. Auf Grund dieser Feststellung besteht
die vorliegende Erfindung in der Verwendung einer so niedrigen Intensität, daß aus
dieser wissenschaftlichen Tatsache ein Nutzen gezogen werden kann.
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Die Röntgenologen sind sich noch nicht im klaren darüber, wie die
beste Wirkung zu erzielen ist, d. h. sie wissen nicht, ob es besser ist, eine hohe
Intensität kurzzeitig oder eine niedrige Intensität auf lange Zeit zu verwenden,
bzw. ob die Zeitdauer irgendeinen Unterschied ausmacht. Diese Verwirrung wird deutlich
dargelegt in einem Artikel von George T. Pack und Edith H. Quimby in der Novemberausgabe
I932 des American Journal of Roentgenology auf S. 650, wo die Verfasser darauf hinweisen,
daß etwa ebenso viele Röntgenologen behaupten, bessere Ergebnisse mit niedriger
Intensität bei langer Bestrahlungszeit erzielt zu haben, als es Röntgenologen gibt,
die dasselbe für hohe Intensität bei kurzzeitiger Bestrahlung in Anspruch nehmen,
und dann gibt es noch eine dritte Gruppe, welche behauptet, daß überhaupt kein Unterschied
festzustellen ist.
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Die Versuche der Erfinder hinsichtlich der baktericiden Wirkung ultravioletter
Strahlen sind die erste bestimmte experimentell bewiesene Angabe, daß man durch
die Verwendung niedriger Intensitäten bessere Ergebnisse erzielt, falls die Bestrahlungsdauer
unter Berücksichtigung der Intensität der Strahlung und der Schnelligkeit des Wachstums
des bestrahlten Organismus richtig bemessen ist.
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Bei der Durchführung der Versuche waren Petri-Schalen mit Agar-Agar-Nährboden
gleichmäßig mit Kolibakterien geimpft. Eine bestimmte Menge einer Fleischsaftkultur
wurde in einen geschlossenen Behälter eingesprüht, so daß ein Absetzen unter Vermeidung
großer Tropfen und Wirbel erfolgte, und es wurden Träger von offenen sterilen Petri-Schalen
auf den Boden des Kastens gesetzt, und man gestattete dem Organismus, sich auf dem
Nährboden während einer bestimmten Zeitdauer abzusetzen. Die Anzahl der auf jeder
beliebigen Schale bei dieser Impfung auftretenden Kolonien wird gegenüber dem Durchschnitt
aller Schalen nach oben und unten um nicht mehr als 5 01o schwanken. Bei der Prüfung
der Strahlungswirkung wurden mehrere Schalen der gleichen Impfung veränderlichen
abgemessenen Strahlungsgrößen ausgesetzt, während verschiedene nicht bestrahlte
Schalen zur Kontrolle dienten. Auf diese Weise ließ sich die Wirkung der Strahlung
auf die Tötung von Bakterien leicht ermitteln.
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Eine photoelektrische Tantalzelle wurde zur Messung der Größe der
ultravioletten Strahlung benutzt, der die Bakterien einer Schale ausgesetzt wurden.
Die Photozelle wurde in gleichen Abstand von der ultravioletten Quelle gebracht
wie die geimpfte Schalenoberfläche.
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Eine solche Zelle mit einer Hülle aus für Ultraviolett durchlässigem
Glas spricht auf eine Wellenlänge an, die sehr ähnlich der der bakterientötenden
Wirkung der Strahlung ist, nämlich von etwa 2400 bis 3000 Ängströmeinheiten, wie
in Fig. 5 zu entnehmen ist. Eine ultraviolette Quelle im gleichen Glas wurde zu
dem Zwecke verwendet, die Strahlung kürzerer Wellenlängen zu absorbieren, so daß
das Ansprechen der Zelle und die bakterientötende Wirkung für verschiedene Wellenlängen
einander so nahe kommen, wie es sich bei Versuchen erreichen läßt. Dadurch braucht
ein die qualitative Beschaffenheit des ultravioletten Lichts berücksichtigender
Faktor nicht eigens eingeführt zu werden, d. h. es ergeben sich direkte Ablesungen
für die jeweiligen Meßwerte der baktericiden Energie.
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Es erwies sich als zweckmäßig, den Gesamtertrag der Exposition wie
folgt zu messen: Eine Batterie II (Fig. I) diente zur Ladung eines Kondensators
I2 in einem Maße, das proportional der wirksamen Strahlung ist, die auf die photoelektrische
Zelle I3 fällt. Ist der Kondensator bis auf Überschlagspotential zwischen Elektroden
14 und 15 einer Glimmröhre I6 aufgeladen, so tritt eine Zündung ein, die einen Stromfluß
zwischen den Elektroden 14 und I7 dieser Röhre herbeiführt, wodurch der größere
Kondensator I8 über den elektromagnetischen Zähler 19 entladen wird; dadurch wird
verzeichnet, wie oft der Kondensator I2 geladen wurde, wenn er der in Frage kommenden
Strahlung ausgesetzt ist.
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Eine Entladungslampe mit einer Hülle aus Glas, hoher Durchlässigkeit
für ultraviolettes Licht mit einer Füllung eines indifferenten Gases mit Quecksilberbeimengung
wurde als Ultraviolettquelle verwendet.
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Die Lampe wurde in eine feste Lage gegenüber den geimpften Petri-Schalen
gebracht, und ein großer Hochspannungskondensator wurde in Reihe mit einer Funkenstrecke
der Lampe parallel geschaltet. Der Abstand der Petri-Schale von der Lampe und Funkenstrecke
waren so eingestellt, daß eine einzige Kondensatorentladung durch die Lampe die
notwendige Größe der ultravioletten Strahlung ergab, um etwa 50 °/o der Bakterien
auf der geimpften Schale zu töten.
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Die photoelektrische Zelle wurde in solcher Entfernung von der Lampe
angeordnet, daß vier Kondensatorentladungen über die Lampe gerade die notwendige
Bestrahlung ergeben, um eine Zählerschaltung herbeizuführen. Das ermöglichte es,
die integrierte Strahlung von einer einzigen Entladung mit einem wenige Prozente
nicht übersteigenden Fehler zu ermitteln. Die gleiche Lampe wurde dann von einem
Transformator aus betrieben, und es wurde die Zeitdauer für eine Zählerschaltung
ermittelt. Eine zweite geimpfte Petri-Schale der gleichen Impfung wurde dann der
Strahlung ausgesetzt, die durch die Transformatorentladung über die Lampe erzeugt
wurde, und zwar für 1/4 der Zeit, die zur Erzeugung einer Zählerschaltung notwendig
war, d. h. für die gleiche Strahlung, wie sie durch einen einzigen Kondensatorüber-
schlag
erzielt wird. Die Kondensatorentladung dauert etwa I Mikrosekunde, während die Transformatorentladung
für die gleiche Strahlung eine nach Minuten messende Periode erforderte. Die Abtötung
von Kolibakterien war für die beiden Expositionstypen innerhalb der üblichen Versuchsfehler
gleich.
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Aus diesen Versuchen wird geschlossen, daß das Reziprozitätsgesetz
für die Tötung von Kolibazillen für einen Intensitätsbereich gilt, der für die Erzeugung
der notwendigen Strahlung Zeitabschnitte von wenigen Millionstel Sekunden bis zu
mehreren Minuten erfordert .
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Die Entladungslampe wurde dann teilweise abgedeckt, so daß die Strahlungsstelle
als punktförmige Quelle für die Exposition der geimpften Schale in verschiedenen
Abständen betrachtet werden konnte. Eine Anzahl von Haltern für die geimpften Schalen
wurde in Abständen zwischen 30 cm und 4,5 m oder mehr von der Lampe angebracht.
Die Vorderseite jedes Halters war über die untere Hälfte mit einer Metallfolie abgedeckt,
wie dies in Fig. 4 einer von den Erfindern und Frl. Galina Mouromtseff im »Journal
of Bacteriology«, Bd. 4I, Nr. 6, Juni I94I, S. 745 bis 774 einschließlich, veröffentlichten
Abhandlung gezeigt ist.
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Auf diese mit dem Titel »Die baktericide Wirkung der ultravioletten
Strahlung« überschriebene Abhandlung wird mit Bezug auf nähere Einzelheiten hinsichtlich
der im Rahmen der Erfindung dargelegten Versuche verwiesen. Die gesamte Vorderseite
jedes Halters wurde durch eine für Ultraviolett durchlässige Glashaut (Cellulosehydrat)
abgedeckt, um atmosphärische Verunreinigung und Austrocknung des Nährbodens zu vermeiden.
Es wurde auch für weiteren Schutz gegen etwaiges Austrocknen des Nährbodens in der
Schale während langer Exposition gesorgt, und zwar in Form eines Löschpapierstreifens,
der in eine Wasserschüssel eintauchte und hinter der Folie lag. Die Photozelle wurde
in einen bestimmten Abstand von der Lampe gebracht. Gleichzeitig mit Kolibazillen
geimpfte Schalen wurden in die Halter gebracht und bis zur Erreichung der nötigen
Anzahl von Zählerschaltungen exponiert, so daß jede Schale die gleiche Gesamtstrahlungsmenge
erhielt. Strahlung, d. h. in diesem Beispiel das Äquivalent von sechs Impulsen.
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Dies wird durch die nachfolgenden Tabellen erläutert, von denen jede
in der ersten Spalte den Abstand zeigt, um den die Platte von der Strahlungsquelle
entfernt war. Die zweite Spalte enthält das Quadrat dieses Abstandes, welches verwendet
wird, um die Anzahl der Impulse auf das Meßgerät zu berechnen, damit die verschiedenen
Platten bzw. Schalen die gleiche Strahlungsdosis erhalten. Die dritte Spalte gibt
die Anzahl von Impulsen der von dem Meßgerät aufgezeichneten Energie an (I Impuls
= 220 Mikrowattsekunden baktericider Energie je Quadratzentimeter). Die vierte Spalte
zeigt die von den Bakterien aufgenommene äquivalente Energie. In der fünften Spalte
findet sich die als notwendig befundene Bestrahlungszeit, unter Berücksichtigung
evtl. Schwankungen der Intensität, um jeder Platte die äquivalente Strahlungsdosis
zuteil werden zu lassen. In der sechsten Spalte steht der Prozentsatz der abgetöteten
E. Coli-Bazillen im Vergleich zu den Kontrollversuchen. Die Prozentsätze wurden
bestimmt durch Auszählen der Kolonien auf den Petri-Schalen, wie es in den Fig.
5 und 6 des oben angeführten Artikels dargestellt ist. Der erste Versuch (gemäß
Tabelle I) wurde bei 20° C, der zweite Versuch (gemäß Tabelle 2) bei 322l9o @ durchgeführt.
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Tabelle 1
| Ab- |
| Gern. Impulse Zeitdauer getötete |
| Qua- Impulse getötete |
| Fuß auf die (Kontrolle) |
| drat (fester Bakterien |
| Bakterien |
| Abstand) Std. Min. in % |
| 1 1 6 6 0 10,1 55,0 |
| 2 4 24 6 0 42,6 57,0 |
| 3 9 54 6 1 36 64,0 |
| 4 16 96 6 2 47 53,0 |
| 5 25 I50 6 4 27 55,0 |
| 6 36 2I6 6 6 24 55,0 |
| 7 49 294 6 - 8 43 59,0 |
| 8 64 384 6 11 23 75,0 |
| 9 8I 486 6 I4 I5 92,0 |
| 10 100 600 6 17 47 98,4 |
| II 121 726 6 21 3I 98,8 |
| I2 I44 864 6 25 36 98,7 |
| I3 I69 1014 6 30 10 99,2 |
| I4 I96 1176 6 34 40 99,6 |
| I5 225 I290 6 40 0 99,0 |
Tabelle 2
| Gem. Ab- |
| Impulse Zeitdauer |
| Qua- Impulse getötete |
| Fuß auf die (Kontrolle) |
| drat (fester Bakterien |
| Bakterien |
| Abstand) Std. Min. in % |
| I I 6 6 0 10 67,8 |
| 2 4 - 24 6 ° 42 72,0 |
| 3 9 54 6 I 36 73,3 |
| 4 I6 96 6 2 47 8i,o |
| 5 25 I50 6 4 27 84,0 |
| 6 36 216 6 6 24 96,7 |
| 7 49 294 6 8 43 99,I |
| 8 64 384 6 11 23 99,3 |
| 9 8I 486 6 I4 I5 99,7 |
| 10 100 600 6 I7 47 99,0 |
| II I2I 726 6 2I 31 90,0 |
| 12 I44 864 6 25 36 73,0 |
Nach diesen Tafeln wurden die Kurven der Fig. 2 hergestellt. Die ausgezogene Linie
zeigt den Verlauf der Tötungswirkung bei 200 C und die punktierte Linie den gleichen
Verlauf bei 322/9° C. Der äußerste rechte Teil der ausgezogenen Kurve 21 fällt rechts
bei einer nicht mehr angegebenen Zeit ab, wie durch das getrennt gezeichnete Stück
22 angedeutet ist, und ebenso der Teil 23 der punktierten Kurve 24. Diese Kurven
lassen erkennen, daß es einen optimalen Zeitbereich für die wirksamste Abtötung
gibt und daß dieser Bereich sowohl von der Temperatur und der Bestrahlungsstärke
wie von der Art des Organismus abhängt. Beispielsweise ist für die Abtötung von
Kolibakterien bei 20° C mit Ultraviolettstrahlen für den hier berichteten Versuch
für die praktisch hundertprozentige, Tötung mit der entsprechenden geringen Intensität
ein Minimum von I7 Stunden erforderlich.
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Für die Bestrahlung der gleichen Bakterien bei 322/9°C
war
die Expositionszeit größenordnungsmäßig 8 Stunden, doch war bei zu geringer Intensität,
die mehr als I7 Stunden erforderte, die Wachstumsgeschwindigkeit des Kolibazillus
so groß, daß wiederum die Abtötung nicht so wirksam war. Hieraus ergibt sich offenbar
eine optimale Intensität für jede Temperatur und für jedes Bakterium, für jeden
Mikroorganismus oder für jedes wuchernde Zellengewebe.
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Wenn man sagt, daß der optimale Bereich von der Intensität der Strahlungsquelle
abhängt, dann heißt das, daß, wenn die Intensität der Strahlungsquelle größer wird,
auch die Zeitdauer, über welche sich der optimale Bereich erstreckt, größer wird,
während bei Abnahme der Intensität der Strahlungsquelle auch die besagte Zeitdauer
abnimmt. Es soll z. B. angenommen werden, daß die Intensität der Strahlungsquelle
um 50 O/o abnimmt, dann endet der optimale Bereich wie bei einer in Fig. 2 dargestellten
Kurve, bei welcher die wirksame Intensität mit derjenigen am Ende des optimalen
oder horizontalen Teils der besagten Kurve zusammenfällt. Nimmt man also an, daß
die Intensität der Strahlungsquelle für die Kurve bei 322/90 C um 50 O/o herabgesetzt
wird, dann endet der optimale Bereich anstatt bei etwa 17 Stunden schon bei etwa
½#2 x 17 oder etwa 12 Stunden, so daß also die Zeitdauer, innerhalb welcher die
maximale Abtötung in Erscheinung tritt, sehr viel kürzer ist. Es wird also dadurch
gezeigt, daß, um ein wirksames Abtöten zu erzielen, ein Minimum für die Strahlungsintensität
vorhanden ist, welches nicht unterschritten werden darf. Solange aber die Strahlungsintensität
auf oder über jenem Minimum gehalten wird, bleibt die minimale Bestrahlungszeit
im optimalen Bereich konstant.
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In dem vorliegenden Beispiel also beläuft sich die Mindestzeit für
die besten Ergebnisse, obwohl die Strahlungsintensität um 50 01o vermindert wurde,
immer noch auf etwa 8 Stunden. Ähnliche Ergebnisse erzielt man mit anderen Temperaturen
und bei anderen Mikroorganismen.
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Vorstehendes geht aus der Fig. 2 klar hervor. In der genannten Figur
stellt die Kurve der Kehrwerte die Strahlungsintensität an den Bakterien dar, zum
Unterschiede von der Energiemenge oder Gesamtstrahlung, welche längs beider Kurven
in Fig. 2, durch bei 200 C und bei 322/90 C gekennzeichnet, gleichmäßig ist. Die
horizontale Linie oben in Fig. 2 stellt die Intensität bei Einheitsabstand von oder
diejenige der Energiequelle dar, wobei die Kurve der Intensität an den Bakterien
von der Intensität der Strahlungsquelle abgeleitet werden könnte, indem man die
letztere durch das Quadrat des Abstandes zwischen der Quelle und den Bakterien dividiert,
falls dieser Abstand bekannt sein sollte.
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Die mit A bezeichnete Kurve ist die angenommene Abtötungskurve bei
322/90 C, wobei die Intensität der Strahlungsquelle ohne weitere sonstige Änderung
auf die Hälfte herabgesetzt wird, wodurch die den Bakterien zugeführte Gesamtstrahlung
auf nur die Hälfte der ursprünglichen vermindert wird und wobei natürlich die Wirksamkeit
des Abtötens herabgesetzt wird, während gleichzeitig nicht die minimale Bestrahlungszeitdauer
für optimales Abtöten, wohl aber die maximale Bestrahlungszeitdauer für jenen Zweck
herabgesetzt wird.
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Die Kurve B stellt eine Zunahme, z. B. durch Verdoppeln der Intensität
der Strahlungsquelle für 322/90 C ohne sonstige Änderung dar, wodurch die an die
Bakterien abgegebene Gesamtstrahlung im gleichen Maße vergrößert wird. Dadurch wird
gezeigt, daß die optimale Bestrahlungszeitdauer ohne Änderung der minimalen B estrahlungszeitdauer
im optimalen Bereich erhöht wird.
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Die Fig. 3 zeigt in Kurvenform die Wirkung einer baktericiden Ultraviolettbestrahlung
auf Kulturen von Proteus vulgaris bei etwa 23° C. Solchen Kulturen gab man elf Impulse
oder 2420 Mikrowattsekunden je Quadratzentimeter baktericider Energie, wie vorher
erklärt wurde, wodurch 87 0/, abgetötet wurden, wenn die Wirkung bei kurzzeitiger
Bestrahlung erreicht wurde, im Vergleich zu dem Beginn der Kurven, die in der Fig.
2 mit bei 20° C bzw. bei 322/90 C. gekennzeichnet sind, abgesehen davon, daß im
Falle des E. Coli-Bazillus nur sechs Impulse oder I320 Mikrowattsekunden je Quadratzentimeter
baktericider Energie verwendet wurden, um im ersten Falle 600/,, im zweiten Falle
68 0/o abzutöten. Die Verwendung von sechs an Stelle von elf Impulsen bei Proteus
vulgaris ergibt eine Kurve, die zwischen den mit bei 322l9o C und bei 200 C bezeichneten
Kurven liegt.
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Man wird bemerken, daß die optimale Abtötungszeit für Proteus vulgaris
bei 23° C bei etwa 6 Stunden beginnt, im Gegensatz zu jener für den E. Coli-Bazillus,
bei welchem dieselbe bei 322/90 C bei etwa 8 Stunden und bei 200 C bei etwa I7 Stunden
beginnt. Die optimale Zeitdauer für Proteus vulgaris endet bei etwa I31/2 Stunden
im Gegensatz zu jener für den E. Coli-Bazillus, welche bei 322/90 C bei etwa I7
Stunden und bei 200 C nach einem unbestimmten, verhältnismäßig langen Zeitraum endet.
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In Fig. 4 sind vier Petri-Schalen dargestellt als das Ergebnis von
Versuchen, um festzustellen, ob Schimmel sich gegenüber der Anwendung niedriger
Intensität über eine lange Zeitdauer, im Vergleich zur gleichen, aber in einen kurzen
Zeitraum zusammengefaßten Energiemenge, ebenso verhält wie Bakterien. Vier Petri-Schalen
wurden mit grünem Schimmel besät.
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Die dabei verwendete Energieeinheit belief sich auf 80 Impulse anstatt
von sechs Impulsen für E. Coli und von elf für Proteus vulgaris, weil Schimmel mehr
Bestrahlung erfordert als die erwähnten Bakterien. Die allgemeine Wirkung war indessen
augenscheinlich die gleiche wie bei Bakterien. Bei IO Fuß nach 8000 Impulsen auf
das Meßgerät (d. h. nach Anwendung der gleichen Gesamtenergie als Äquivalent von
80 Impulsen auf den Schimmel) auf die Dauer von 25 Stunden war die Spitze oder der
Beginn der optimalen Periode noch nicht erreicht, aber die Wirkung war ganz erheblich
besser als bei kurzzeitiger Bestrahlung im Abstand von 1 Fuß, wie es die Petri-Schale
1 zeigt. Petri-Schale 2 zeigt das Ergebnis nach I2stündiger Bestrahlung im Abstand
von 7 Fuß und Petri-Schale 3 das Ergebnis nach 25stündiger Bestrahlung im Abstand
von IO Fuß. Petri-Schale 4 ist die Kontrollschale.
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Aus einem Vergleich der Fig. 4 mit den Fig. 5 und 6 des obenerwähnten
Artikels geht hervor, daß Schim-
mel zum Abtöten nicht nur eine
sehr viel größere Strahlungsdosis erfordert als Bakterien, sondern die Wirkung scheint
auch eher in einer Unterdrückung des Wachstums als in einer zahlenmäßigen Verminderung
der Anzahl der Kolonien zu bestehen. Zum Beispiel zeigt Petri-Schale 2 (Fig. 4)
trotz sehr viel geringeren Schimmelwachstums keine große Abnahme in der Anzahl der
Schimmelkolonien im Vergleich zu I, jedoch sind die meisten Kolonien sehr viel kleiner
als die von I. Denselben Vergleich kann man zwischen Petri-Schale 3 einerseits und
den Petri-Schalen I und 2 andererseits vornehmen. Vom Standpunkt der Fläche aus
beurteilt sieht man, daß eine große Verminderung des Schimmelwachstums eintritt,
wenn man eine gegebene Gesamtstrahlungsdosis über einen verhältnismäßig langen Zeitraum
verteilt, anstatt die gleiche Gesamtstrahlung in einen kurzen Zeitraum zusammenzufassen.
Der Grund für die sehr viel längere Zeitdauer, um den Beginn der optimalen Periode
für das Abtöten von Schimmel zu erreichen, ist offensichtlich auf die sehr viel
längere Zeitdauer des Lebenszyklus bei Schimmel im Vergleich zum bakteriellen Lebenszyklus
zurückzuführen.
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Aus dem Angeführten ergibt sich, daß die Lebensperiode des Organismus
eine wichtige Rolle spielt und daß sie wahrscheinlich durch erhöhte Temperatur gekürzt
wird. Bei den höheren Temperaturen nahm die Anzahl der Kolonien auf den letzten
Schalen, d. h. denen, die mit so schwachen Energiemengen beeinflußt wurden, daß
es mehr als I7 Stunden erforderte, um eine etwa hundertprozentige Abtötung zu erzielen,
fortschreitend zu, so daß die Bestrahlung weniger wirksam erscheint.
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Die gleiche gesteigerte bakterientötende Wirkung wurde erzeugt, wenn
die Expositionen statt gleichförmig stoßweise erfolgten, vorausgesetzt, daß die
Gesamtbestrahlung über eine vergleichsweise lange Zeitdauer ausgedehnt und die Gesamtstrahlungsmenge
die gleiche ist.
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Es ist bekannt, daß eine gewisse Zeit nach der Impfung verstreicht,
bevor die Bakterien und sonstigen Organismen sich rasch zu vermehren beginnen; diese
Zeit nennt man die Verzögerungsperiode.
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Während dieser Zeit sind die Bakterien anscheinend in einem Ruhezustande,
und es erscheint deshalb erwünscht, daß man vor der Strahlung erst eine gewisse
Reifung eintreten läßt. Die durchgeführten Versuche zeigen folgendes: Ermöglicht
man den Bakterien, ihre Lebensperiode anzufangen, wodurch sie offenbar periodisch
sehr empfänglich für die Abtötungswirkung der Strahlung werden, so ist das sehr
nützlich in Richtung auf Verringerung der für die wirksame Abtötung notwendigen
Bestrahlung, sofern sich die Exposition über einen verhältnismäßig langen Zeitabschnitt
erstreckt, der einer oder mehreren Lebensperioden entspricht. Andererseits wurde
festgestellt, daß eine Vorreifung bis zu mehreren Stunden keine Wirkung hat, wenn
die Bakterien nur einer kurzen Exposition unterworfen werden oder die Dosierung
auf eine kurze Zeitdauer beschränkt wird.
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Gemäß vorstehendem können Bouillon, Milch und andere fließende Stoffe,
flüssig oder körnig, mit einer gewissen Strahlungsdosis bestrahlt werden. Dabei
erhalten die Bakterien unter der Oberfläche die geringste Strahlung. Die Intensität
wird so groß gewählt, daß die am wenigsten widerstandsfähigen Bakterien innerhalb
des Fluidums abgetötet werden.
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Man läßt dann das Fluidum zur weiteren Entwicklung stehen, so daß
bei der nächsten Bestrahlung die Organismen, welche zuerst unentwickelt waren, nun
im Stadium der Empfindlichkeit sind oder sich unter Verhältnissen befinden, bei
welchen sie in ähnlicher Weise vernichtet werden können.
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Es sind mehrere aufeinanderfolgende Stufen in von der Temperatur
abhängigen Zeitabständen erwünscht, oder aber die Intensität der Energie kann so
herabgesetzt werden, daß eine Dauerbestrahlung angewendet werden kann, unter gleichzeitigem
Rühren des Fluidums, so daß alle Teile desselben nacheinander an die Oberfläche
gelangen. Was hier auf Nahrungsmittel zutrifft, gilt in gleicher Weise auch für
die Behandlung von Krankheiten, wie z. B. bösartige Geschwülste, durch strahlende
Energie, wie z. B. Röntgenstrahlen. Bei der Behandlung von Krebszellen und Trichophytie
durch Röntgenstrahlen ist die gegenwärtige Praxis so, daß mit derjenigen Dosis bestrahlt
wird, welche die umgebenden Gewebe nicht dauernd schädigt und dabei doch noch eine
zerstörende Wirkung auf die unerwünschten rasch wachsenden Zellen ausübt. Gemäß
dem vorliegenden Verfahren werden die unerwünschten Zellen lange Zeit hindurch dauernd
oder absatzweise mit Röntgenstrahlen von solch niederer Intensität bestrahlt, daß
die umgebenden Gewebe nicht nur nicht dauernd geschädigt, sondern daß dabei die
unerwünschten rasch wachsenden Zellen zerstört werden.
-
Es wird damit nicht nur eine geringere Gesamtstrahlung verwendet,
als notwendig wäre, um die gesamte Vernichtung der wachsenden Zellen in kurzer Zeit
zu erreichen, sondern derartige unerwünschte wachsende Zellen werden entweder ohne
dauernde Schädigung der umgebenden Gewebe völlig zerstört, oder aber man erreicht
eine Vernichtung derselben in größerem Umfange, als es nach dem alten Verfahren
ohne solche dauernde Schädigung möglich war.
-
Verschiedene Organismen erfordern zu ihrer Vernichtung auch verschiedene
Strahlungsdosen zu deren Abtötung, wie aus einem Vergleich der Ergebnisse bei E.
Coli, Proteus vulgaris und Schimmel, hervorgeht.
-
Auch ist bei verschiedenen Temperaturen der Lebenszyklus nicht der
gleiche, und die Bestrahlung verlängert den besagten Lebenszyklus. Die Kurven der
Fig, 2 beziehen sich auf den E. Coli-Bazillus. Es muß erwähnt werden, daß derartige
Bakterien in einem durchsichtigen Medium bei 20° C abgetötet werden.
-
Die zum kurzzeitigen Abtöten von 60 0/o erforderliche Dosis baktericider
Strahlung in Mikrowattsekunden je Quadratzentimeter ist aus dem Schrifttum und aus
Versuchen, auf welchen der obenerwähnte Artikel basiert, bekannt und beläuft sich
auf sechs Impulse oder 1320 Mikrowattsekunden je Quadratzentimeter.
-
Um das wirksame Abtöten zu erreichen, wird eine Intensität jener Energiemenge
in Mikrowattsekunden je Quadratzentimeter (I320) dividiert durch, d. h. also verteilt
über etwa I7 Stunden oder etwas mehr, wie es durch die 20°-C-Kurve der Fig. 2 gezeigt
wird,
benötigt, wobei eine Bestrahlungszeitdauer dieses Ausmaßes
angenommen werden soll.
-
Wenn indessen das Medium, in welchem sich die Organismen in Suspension
befinden, nur zu 5001, durchsichtig ist und man den gleichen Prozentsatz abzutöten
wünscht, dann wird die doppelte Intensität des vorhergehenden Wertes benötigt. Hieraus
geht also hervor, daß die Kurven der Fig. 2 die erforderlichen Informationen für
die betrachteten spezifischen Fälle liefern, d. h. sie zeigen die optimale Zeit,
über welche die Energie verteilt werden sollte, um eine gewünschte Abtötungswirkung
zu erzielen.
-
Die nachstehende Tabelle, welche aus dem Werk von Greaves, »Elementary
Bacteriology « (Elementare Bakteriologie), entnommen ist, zeigt die Generationszeit
oder den Lebenszyklus für E. Coli bei verschiedenen Temperaturen. Die meisten Bakterien,
deren optimale Temperatur sich auf 37° C beläuft, haben, wie einer der nachfolgenden
Tabellen entnommen wurde, nahezu die gleiche Zeitdauer für einen Lebenszyklus.
| Temperatur @ Länge des Lebenszyklus |
| 45° aoMin. |
| 40 C I7 - |
| 35"C 22 - |
| 30°C 29 - |
| 250 C 40 - |
| 200 C 90 - |
| I5"C 120 - |
| Io" C I4 Std. 20 - |
So macht bei einer Temperatur von 400 C ein einzelnes Bakterium einen Lebenszyklus
von 17 Minuten durch, an dessen Ende zwei Bakterien gebildet werden. In einer bestimmten
Phase dieses Lebenszyklus reagiert das Bakterium sehr empfindlich auf Bestrahlung
und kann dann leicht vernichtet werden.
-
Bei niedrigerer Temperatur, z. B. bei 150 C, beläuft sich der Lebenszyklus
auf 2 Stunden, und man muß daher dieses Bakterium mindestens 2 Stunden lang bestrahlen,
bevor dasjenige Stadium des Lebenszyklus erreicht ist, in welchem der Organismus
empfindlich ist, vorausgesetzt, daß der Lebenszyklus durch die Strahlung nicht verlängert
wird. Es muß jedoch daran erinnert werden, daß unter der mirkung der Bestrahlung
der Lebenszyklus verlängert wird.
-
Dieser Temperatureffekt kann durch Kurven und Tabellen deutlich belegt
werden.
-
Der Lebenszyklus des Organismus kann durch die Temperatur, den Typ
der Medien und sonstige Umweltsfaktoren geregelt werden. In einer gewissen Phase
des Lebenszyklus ist das Bakterium oder ein sonstiger Mikroorganismus sehr empfindlich
gegenüber irgendwelchen physikalischen oder chemischen Agentien. Dies ist eine gänzlich
andere Erscheinung als bei Sporen, welche sich in einem Ruhezustande befinden und
anschließend in ein vegetatives Stadium übergeführt werden können. Diese letztere
Tatsache ist bekannt, und die Praxis basiert seit langer Zeit auf derselben.
-
Ebenso ist bekannt, daß Sporen widerstandsfähiger sind als vegetative
Formen, aber man hat bisher noch nie bemerkt, daß in der Widerstandsfähigkeit vegeta
tiver Zellen in den verschiedenen Phasen ihrer Lebenszyklen eine ausgesprochene
Veränderlichkeit besteht.
-
So z. B. erfordern Sporen von B. subtilis 80 Energieeinheiten, um
99 0/0 derselben zu vernichten. Nach der Entwicklung erfordern die vegetativen Formen
lediglich 40 Einheiten für das gleiche Ausmaß der Vernichtung. Durch das vorliegende
Verfahren kann die gleiche Abtötungsrate schon mit 4 bis 8 Einheiten erzielt werden.
-
Die als baktericid betrachtete Strahlung ist bestimmt worden und
wird im Schrifttum als eine solche mit Wellenlängen von unter 2900 Ängströmeinheiten
bezeichnet, wobei die folgenden Abhandlungen zu Rate gezogen wurden: Coblentz, W.
W., und H. R. Fulton: »Eine radiometrische Untersuchung der keimtötenden Wirkung
ultravioletter Strahlen..
-
Scient. Papers Bur. St. No. 495 I9: 641-680 (1924); Gates, F. L.:
»Die Absorption ultravioletten Lichtes durch Bakterien« - Journ. Gen. Physiol. I4:
21-42 (1930); Wyckoff, R. W. G.: »Das Abtöten von Coli-Bazillen durch ultraviolettes
Licht - Journ.
-
Gen. Physiol. I5: 351-361 (1932).
-
Eine Zusammenfassung aller Daten über diesen Gegenstand findet sich
in dem Werk von B. M. Duggar, »Biologische Wirkungen von Strahlen«, McGraw-Hill
Book Co. Bd. II, S. 1121-1126.
-
Die Strahlungsdosis, welche für den Zweck der vorliegenden Erfindung
für irgendeinen gegebenen Organismus bei einer gegebenen Temperatur erforderlich
ist, ist jede Dosis unter derjenigen, welche für rasches Abtöten erforderlich ist,
im weitesten Sinne des dargelegten Erfindungsgedankens, vorausgesetzt, daß sie einen
Lebenszyklus erfaßt.
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Die von den meisten Forschern als zur Vernichtung eines Bakteriums
erforderlich angegebene Strahlungsdosis beläuft sich auf etwa Ij X Io-6 Erg. Den
Erfindern ist es gelungen, ein Bakterium mit einer Energie von nur etwa 1,2 x Io-6
Erg zu vernichten.
-
Es ist daher klar, daß alles, was notwendig ist, um die vorliegende
Erfindung zu verwenden, die Anwendung eines Bruchteils der zur Vernichtung der Organismen
notwendigen Gesamtstrahlung über einen derartigen Zeitraum ist, daß unter den angewandten
Strahlungsbedingungen zum mindesten ein Lebenszyklus erfaßt wird. Der Vorteil der
Verwendung solch geringer Dosen an Energie wird ersichtlich, wenn man berücksichtigt,
daß eine große Anzahl biologischer Präparate, wie z. B. Sera, nicht dauerhaft sind,
wenn sie einer Ultraviolettbestrahlung ausgesetzt werden.
-
Die Fig. 6 zeigt nun einen zylindrischen Behälter 31, welcher möglichst
aus Glas oder einem anderen durchsichtigen Werkstoff bestehen soll und mit axialen
Halsteilen 32 und 33 versehen ist. Diese Halsteile können die Stelle von Zapfen
einnehmen und zwecks Drehung in hier nicht dargestellten Lagern gelagert werden.
Die Drehung erfolgt mittels eines Riemens 34, der über eine auf der Welle 36 angebrachte
Riemenscheibe 35 läuft, welch letztere von einem Motor oder einer sonstigen geeigneten
Kraftquelle aus angetrieben wird. Der Behälter 3I hat eine Öffnung oder ein
Spundloch
37, welches normalerweise durch einen Korken oder ein sonstiges Verschlußmittel
38 verschlossen gehalten wird, um flüssiges oder ein festes körniges Material 39,
welches durch den Ultraviolettgenerator 41 bestrahlt werden soll, einfüllen zu können.
-
Der Generator 41 ist möglichst eine längliche Entladelampe der vorher
unter Bezugnahme auf das James-Patent beschriebenen Bauart und geht axial durch
den Behälter 31 hindurch, wobei sie in den Halsteilen durch I(orken und sonstige
Verschlußvorrichtungen 42 und 43 gehalten wird. Die Energie wird der Lampe 42 durch
die Schleifkontakte 44 und 45 zugeführt, welch letztere die Enden der Entladelampe
erfassen und an einen Transformator oder eine sonstige geeignete Energiequelle angeschlossen
sind, und zwar mit oder ohne Mittel für die periodische Unterbrechung der besagten
Energiezufuhr, so daß, falls gewünscht, die Ultraviolettstrahlung dem in dem Zylinder
enthaltenen Material intermittierend zugeführt wird.
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Das soeben beschriebene Gerät wurde zum Sterilisieren von Rindsbouillon
verwendet und kann auch zum Sterilisieren von irgendeinem fließenden Material, wie
z. B. Milch, granulierte Cerealien, Sera, Enzyme und sonstige biologische Materialien,
verwendet werden. Die Bestrahlung des Materials 39 findet statt, während sich der
Behälter 31 um die Achse der Lampe 41 dreht, so daß alle Teile des genannten Materials
gleichmäßig bestrahlt werden. Der Behälter, welcher in der Tat einen rotierenden
Sterilisator darstellt, wird möglichst in irgendeiner geeigneten Weise auf gleichmäßiger
Temperatur (z. B. Zimmertemperatur oder etwa 20° C) gehalten, und das in ihm enthaltene
Material wird der aus der Lampe herrührenden baktericiden Energie ausgesetzt, und
zwar in einem Ausmaß von sechs Impulsen des Rentschler-Zählers, verteilt über einen
Zeitraum von I5 Stunden, wenn die Materialmenge so gering ist, daß praktisch kein
Verlust durch Übertragung durch das Material hindurch eintreten kann. Dies ist das
Äquivalent der dauernden Anwendung wirkungsvoller Ultraviolettstrahlung für den
betreffenden Zeitraum nach Maßgabe von etwa ovo25 Mikrowatt je Quadratzentimeter.
Sollte die von dem Material aufgenommene durchschnittliche Energie durch Übertragung
durch dasselbe hindurch oder aber durch undurchsichtiges Material vermindert werden,
weil sie dann zeitweise abgeschirmt ist, dann muß die Intensität der Strahlungsquelle
um einen angemessenen Faktor erhöht werden. Wird die Lampe intermittierend erregt,
z. B. alle 5 Minuten I Minute lang, dann muß die Intensität im gleichen Ausmaß erhöht
werden, z. B. durch den Faktor 5. Von einem Ultraviolettgenerator der in dem besagten
James-Patent beschriebenen Bauart für eine Stromaufnahme von etwa 14 Watt kann für
praktische Zwecke angenommen werden, daß er Strahlungen abgibt, die dem baktericiden
Effekt von 3 Watt einer Strahlung von 2537 Ängströmeinheiten gleichkommen (s. auch
die nachfolgenden Ausführungen über den Qualitätsfaktor).
-
Der Grund für die Wahl von gerade 15 Stunden als Bestrahlungsdauer
ist darin zu suchen, daß diese Zeit ungefähr in dem optimalen Bereich der in Fig.
2 mit bei 200 C bzw. bei 322/," C gekennzeichneten Kurven liegt. Der E. Coli-Bazillus
ist typisch als einer der Organismen, die häufig in Nahrungsmitteln, wie z. B.
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Milch, die evtl. behandelt werden sollten, zu finden sind.
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Proteus ist ein weniger häufig in Nahrungsmitteln, wie z. B. Milch,
anzutreffendes Lebewesen, aber diese Behandlung würde für jenen Organismus recht
wirkungsvoll sein, da, wie man aus Fig. 3 ersehen kann, 15 Stunden sich einem Zeitraum
innerhalb des optimalen Bereichs stark annähern.
-
Die Verwendung von sechs an Stelle von elf Impulsen baktericider
Energie bei dem weniger häufig anzutreffenden Proteus würde lediglich das Abtöten
zu Beginn der Kurve und die Länge des optimalen Zeitraums herabsetzen, wie vorher
in Verbindung mit Fig. 2 erklärt wurde. Man hält es jedoch für besser, das Risiko
des Irrtums auf der Seite der zu geringen Bestrahlung als der zu starken Bestrahlung
einzugehen, insbesondere bei Nahrungsmitteln, wie Milch, um solch unerwünschte Wirkungen
wie Geschmacksänderungen zu vermeiden.
-
Die hauptsächlich in der Milch vorkommenden Mikroorganismen sind:
Staphylococcus, Micrococcus, Streptococcus alpha haemolyticus viridans, Bacillus,
Streptococcus beta haemolyticus, Escherichia und Aerobacter. Alle diese sind hinsichtlich
ihrer Lebenszyklen und der optimalen Temperaturen für die Fortpflanzung dem E. Coli
(Escherichia) genügend ähnlich, so daß die durch die Kurven der Fig. 2 angezeigte
und vorstehend beschriebene Behandlung als dieselben eindämmend betrachtet werden
kann.
-
Der Grund für die Aufbewahrung von Nahrungsmitteln, wie Milch, bei
Temperaturen, die niedriger sind als die, bei welchen die Fortpflanzung maximal
und der bakterielle Lebenszyklus minimal ist, ist darin zu suchen, daß eine solche
niedrige Temperatur in zweckmäßiger Weise gleichmäßig aufrechterhalten werden kann,
aber auch wegen der Vermeidung des Erhitzens auf eine höhere Temperatur und das
anschließende Kühlen zu Konservierungszwecken. Ähnliche Erwägungen bestimmen die
Behandlung anderer Nahrungsmittel.
-
Ein Apparat wie der vorstehend beschriebene und in Fig. 6 dargestellte
wird bei der praktischen Sterilisierung von Bouillon verwendet; die Ergebnisse davon
sind in den Fig. 7, S und 9 graphisch dargestellt.
-
Eine derartige, mit dem E. Coli-Bazillus beimpfte Nährbouillon wurde
in einen rotierenden Sterilisator, wie er zuvor in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben
wurde, eingebracht und bei einer konstanten Temperatur von etwa 25° C der Strahlung
eines gemäß dem vorher beschriebenen James-Patent hergestellten Ultraviolettgenerators
ausgesetzt. Der Generator wurde so eingestellt, daß die Energie an die Bouillon
in einem Ausmaß von I Impuls je Minute abgegeben wurde. Das entspricht ungefähr
220 Mikrowattsekunden baktericider Energie, wobei auf die vorhergehende Definition
dieses Ausdruckes Bezug genommen wird. Die Intensität der Strahlung belief sich
auf etwa 3,66 Mikrowatt je Quadratzentimeter.
-
Proben der Bouillon wurden alle 5 Minuten dem Sterilisator entnommen
und auf Tryptonglukose-
extrakt-Agarplatten gegossen. Nach der
Entwicklung erhielt man Ziffern, welche bei Eintragen in ein Kurvenblatt eine in
Fig. 7 mit A bezeichnete Kurve ergaben. Diese Kurve zeigt das Verhältnis zwischen
dem Prozentsatz der abgetöteten Bakterien und der Bestrahlungszeit bei der durch
die gestrichelte Linie B in der besagten Figur angegebenen Strahlungsintensität.
Die Gesamtenergie als Produkt der Intensität und der Zeit wird dargestellt durch
die Diagonale C in der gleichen Figur, aufgezeichnet gegen eine Skala von Mikrowattsekunden
je Quadratzentimeter baktericider Energie.
-
Die Betrachtung der Fig. 7, welche eine normale oder früher übliche
Art der Bestrahlung eines Wirtes zwecks Sterilisierung oder der Abtötung darin enthaltener
Mikroorganismen darstellt, zeigt, daß ein Abtöten von beispielsweise 98 0/o durch
die Anwendung von 5500 Mikrowattsekunden je Quadratzentimeter baktericider Energie
erreicht wird.
-
Die Ultraviolettintensität wurde dann auf 1/ der ursprünglich gemäß
Fig. 7 angewendeten herabgesetzt, indem man fast die ganze Lampe abdeckte und den
durch dieselbe fließenden Strom verminderte. Wie in anderen Fällen, wurde die Intensität
auch hier mittels eines Ultraviolettmeßgeräts mit einer Tantalphotozelle geprüft
und gemessen.
-
Es wurde dann die erste Partie Bouillon entfernt, der Sterilisator
in seinen ursprünglichen sauberen Zustand zurückgebracht, und eine neue und gleiche
Partie Bouillon, die in ähnlicher Weise mit dem E. Coli-Bazillus beimpft worden
war, wurde dann darin eingebracht und bei konstanter gleicher Temperatur wie vorher
mit verminderter Intensität bestrahlt. Während dieser Bestrahlung wurden jede Stunde
Proben entnommen und auf Agar-Platten, wie bei dem ersten in Fig. 7 dargestellten
Versuch, ausgegossen. Nach der Entwicklung wurde der Prozentsatz der abgetöteten
Bakterien gemäß Kurve D in Fig. 8 aufgezeichnet, welche also das Abtöten von Bakterien
darstellt, wenn die Intensität der angewandten Ultraviolettstrahlung sich-auf nur
1/96 der gemäß Fig. 7 verwendeten bzw. auf o,o38Mikrowatt je Quadratzentimeter baktericider
Energie, wie sie durch die punktierte Intensitätskurve E dargestellt ist, beläuft.
-
Die Diagonale F in Fig. 8 entspricht der Diagonalen C in Fig. 7, insofern
als die gesamte zur Sterilisierung der Bouillon in verschiedenen Stadien erforderliche
Ultraviolettenergie angezeigt wird.
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Bei einem Vergleich der Fig. 7 und 8 sieht man, daß mit länger werdenden
Zeiträumen das Verhältnis der beiden Zeiten für ein äquivalentes Abtöten geringer
wird. Da das Verhältnis der bei beiden Versuchen verwendeten Intensitäten sich auf
96: 1 beläuft, müßte man logischerweise daraus schließen, daß bei dem Versuch mit
der niedrigeren Intensität der Zeitraum zur Durchführung eines entsprechenden Abtötens
96 mal so groß sein würde oder daß die gesamte aufgewendete Energie zur Durchführung
des Abtötens sich in beiden Fällen entsprechen müßte.
-
Das ist indessen nicht der Fall.
-
Die nachstehende Tabelle zeigt deutlich, daß bei langzeitiger Bestrahlung
bei diesem speziellen Versuch zur Vernichtung der Bakterien sehr viel weniger Energie
erforderlich war als bei kurzzeitiger oder normaler Bestrahlungszeit.
-
Tabelle 3
| Verhältnis der der |
| Abgetötete Zeitaufwand bei Zeiten bei nied- |
| Bakterien normaler niedriger einer Intensität |
| Intensität Intensität ZU denen bei |
| normaler |
| in °/0 Minuten Stunden Intensität |
| 50 I,6 2,Io 78,7 |
| 60 2,6 2,58 59,5 |
| 70 3,8 3,I8 50,2 |
| 80 6,o 4,00 40,0 |
| 90 Io,8 5,35 29,7 |
| 95 I6,5 6,75 24,5 |
| 98 23,0 8,40 2I,9 |
Die Kurve G der Fig. 9 ergibt sich aus den Ablesungen der A- und C-Kurven der Fig.
7 sowie der D- und F-Kurven der Fig. 8 undDividieren der Energieablesungen der Fig.
8 für verschiedene Prozentsätze des Abtötens durch die entsprechenden Energieablesungen
der Fig. 7, und es zeigt sich dabei, daß für eine weitreichende bzw. wirkungsvolle
baktericide Sterilisierung die Verhältnisziffern sich auf nur etwa 1/4 belaufen,
d. h. also nur etwa 1/4 der Energiemenge ist erforderlich, wenn sie über einen verhältnismäßig
großen Zeitraum verteilt wird, im Vergleich zu der Verteilung über einen verhältnismäßig
kurzen Zeitraum. Mit anderen Worten, diese Kurven zeigen den Wert der vorliegenden
Erfindung, insofern als dadurch Energie erspart wird und bei der Sterilisierung
von Nahrungsmitteln schädliche Wirkungen auf den Wirt vermieden bleiben.
-
Man wird bemerken, daß bei dieser praktischen Sterilisierung von
Nahrungsmitteln kein Versuch gemacht wurde, den Lebenszyklus des E. Coli zu bestimmen
oder irgendwelche exakten Zahlen über die optimale Bestrahlungsdauer für die wirkungsvollsten
Ergebnisse zu erhalten, daß vielmehr die eine Sterilisierung bei verhältnismäßig
hoher Intensität in einem kurzen Zeitraum und eine zweite Sterilisierung gemäß der
vorliegenden Erfindung bei verhältnismäßig niedriger Intensität in einem verhältnismäßig
langen Zeitraum vorgenommen wurden.
-
Man sieht, daß der verhältnismäßig lange Zeitraum keineswegs die
optimale Periode war, wie ein Vergleich mit Fig. 2 zeigt, da diese Sterilisierung
bei Zimmertemperaturen oder etwa 25° C durchgeführt wurde und daher die optimale
Zeitdauer (gemäß den Kurven 21 und 23 der Fig. 2) etwa 15 Stunden oder noch mehr
hätte betragen müssen, anstatt nur 8 Stunden. Man sieht ferner, daß, wenn die optimale
Zeitdauer 15 Stunden oder noch mehr betragen hätte, die Kurve G in Fig. 9, welche
das Verhältnis zwischen der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgewendeten Energie
und der gemäß der früheren Praxis für ein entsprechendes Abtöten aufgewendeten Energie
darstellt, tiefer gelegen sein würde, d. h. deren Ordinaten würden kürzer gewesen
sein. Das zeigt also, daß die vorliegende Erfindung eine weite praktische Verwendung
findet und in weitem Ausmaße die wesent-
liche.Herabsetzung der
Intensität und die entsprechende Zunahme der Bestrahlungsdauer im Vergleich zu der
früheren Praxis mit sich bringt.
-
Da der E. Coli-Bazillus keine Sporen bildet, kann nicht angenommen
werden, daß das obige Phänomen auf die Umwandlung der Sporen in ein vegetatives
Stadium, in welchem sie eher Schädigungen durch die Ultraviolettbestrahlung ausgesetzt
sind, zurückzuführen ist.
-
Die Fig. IO zeigt einen Sterilisator der Kondensatorbauart, bei welchem
ein länglicher Behälter 51 mit einer axial durch denselben hindurchgehenden, von
einer geeigneten Energiequelle, wie bei Lampe 41 der vorhergehenden Ausführung,
aus erregten, ultraviolette Strahlen abgebenden Entladelampe 52 versehen ist. Die
Flüssigkeit, wie z. B. Milch, Orangensaft oder ein sonstiger zu bestrahlender Stoff,
wird veranlaßt von dem Behälter 53 aus, den Behälter 5I zu durchströmen, z. B. mittels
einer Pumpe 54, wobei die schraubenförmige Bewegung der Flüssigkeit um die besagte
Lampe 52 herum möglichst durch die -Schlange 55 aus Glas od. dgl. besorgt wird.
-
Der zu bestrahlende Stoff wird möglichst auf konstanter Temperatur
gehalten, deren Höhe von - dem betreffenden Material abhängt; Man bestrahlt das
Material wie bei der vorhergehenden Ausführung mit einem Äquivalent von sechs Impulsen
ultravioletter Strahlung, über einen Zeitraum von 15 Stunden verteilt. Da dieser
Apparat nur intermittierend strahlt, weil nur ein Bruchteil der Flüssigkeit in dem
Behälter 51 enthalten ist, sollte die auf die umlaufende Flüssigkeit angewendete
Strahlungsintensität um einen Faktor vergrößert werden, der sowohl diese intermittierende
Strahlung als auch die Dicke der Flüssigke*sschicht um die Lampe herum berücksichtigt.
-
Die in der Fig. II dargestellte Ausführung des Apparates zeigt ein
Rieselbrett 6I, über welches die zu bestrahlende Flüssigkeit mittels einer Pumpe
62 gefördert wird, indem die letztere die besagte Flüssigkeit aus dem unteren Behälter
63 in einen oberenTank 64, dessen Flüssigkeitsspiegel durch das Schwimmerventil
65 geregelt wird, hebt, so daß ein gleichmäßiger Flüssigkeitsspiegel in dem besagten
oberen Tank dafür sorgt, daß ein dünner Flüssigkeitsfilm von dem oberen Behälter
66 in einem dünnen Film das Rieselbrett 6I herab in den unteren Trog 68 und von
dort zu dem Behälter 63 fließt. Bei dem Herunterrieseln über das Rieselbrett 6I
wird die Flüssigkeit der gewünschten Strahlungsdosis aus einer ultraviolette Strahlen
erzeugenden Entladelampe 69, die aus einer geeigneten Energiequelle beschickt wird,
ausgesetzt, wobei die Lampe in diesem Falle möglichst mit einem Reflektor 7I versehen
ist. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen wird der Flüssigkeit die gewünschte
Energiemenge, also hier sechs Impulse, über einen Zeitraum von 15 Stunden verteilt
zugeführt.
-
Die Kurve der Fig. 12 zeigt den Anteil der Strahlung aus einer Lampe
des erwähnten Typs an, welcher durch Milch bei verschiedenen Filmdicken hindurchgeht.
Da etwa 84 0/o der durch eine solche Lampe ausgestrahlten, zwischen 2500 und 6000
Ångströmeinheiten liegenden Energie eine Wellenlänge von 2537 Ängströmeinheiten
hat, kann diese Kurve für praktische Zwecke als für solche Strahlen bestimmt angesehen
werden. Unter dieser Annahme ist der Qualitätsfaktor zur Umwandlung der Strahlungsenergie
in baktericide Energie unter Bezugnahme auf Fig. 5 gleich 0,77. Mit anderen Worten,
IO Watt der Strahlung von 2537 Ängströmeinheiten sind gleichwertig mit 7,7 Watt
baktericider Energie, oder aber 10 Watt baktericider Energie sind das Äquivalent
von 13 Watt einer Strahlung von 2537 Ångströmeinheiten.
-
Qualitätsfaktoren für andere Wellenlängen erhält man in ähnlicher
Weise. Es ist leicht einzusehen, daß bei Behandlung eines Films von etwa o,o4 mm
ungefähr das Doppelte der notwendigen Strahlung angewendet werden muß, um die gewünschte
Wirkung zu erzielen, da ungefähr die Hälfte der Strahlung von dem Medium absorbiert
wird. Eine proportional andere Strahlungsdosis würde für andere Filmdicken zu verwenden
sein.
-
Für andere Lösungen gelten die gleichen Grundsätze.
-
Um den vollständigen Faktor zu erhalten, muß man den Faktor zur Berücksichtigung
der Filmdicke mit einem Faktor zur Berücksichtigung des bei einem Durchgang zu bestrahlenden
Materialanteils im Vergleich zu der gesamten in Umlauf, z. B. über ein Rieselbrett,
befindlichen Materialmenge multiplizieren.
-
Wenn beispielsweise bei dem in Fig. 8 dargestellten Apparat der Film
auf dem Rieselbrett etwa 0,04 mm dick ist und 10/0 des Gesamtvolumens sich in Umlauf
befindet, dann beläuft sich der Bestrahlungsfaktor auf 200, d. h. 2 X IOO. Um also
jedem Teilchen in dem System eine sechs Impulsen über 15 Stunden verteilte gleichwertige
Bestrahlung zu geben, muß man I200 Impulse über diese Periode auf den über das Rieselbrett
fließenden Film verteilen. Stellt die Energieeinheit die Energie einer gegebenen
Wellenlänge anstatt der baktericiden Energie dar, dann muß, wie vorher besprochen
wurde, ein Qualitätsfaktor zur Berücksichtigung der Abweichung von dem maximalen
baktericiden Effekt eingeschlossen werden.
-
Wie es für die Fachleute leicht verständlich ist, müssen für andere
Umstände die Berechnungen in ähnlicher Weise aufgemacht werden.
-
Um zu zeigen, wie die zum Abtöten von Bakterien benötigte Energiemenge
von der Art des Bakteriums abhängt, wird darauf hingewiesen, daß die nachstehend
angeführten Bakterien, deren optimale Temperatur vom Standpunkt der Fortpflanzung
aus gesehen bei 370 C liegt (E. Coli und Proteus vulgaris), zum Ab töten, wenn die
besagte Energie über einen kurzen Zeitraum verteilt oder in einen Zeitraum, der
kleiner als der Lebenszyklus des Organismus ist, zusammengedrängt wird, die folgende
Energie benötigen:
| Impulse am Rentschler |
| Mikroorganismus Tantalzellengerät |
| Bakterien Prozentsatz der abgetöteten |
| Bakterien Bakterien |
| 80 bis 90 1 90 bis 95 1 95 bis I00 |
| Strep. haemolyticus |
| alpha I5 bis I8 I5bisr8 18bis22 22bis25 |
| Strep. haemolyticus |
| beta .... ..... u. 15 - 23 23 - 28 28 - 35 |
| Impulse am Rentschler |
| Tantalzellengerät |
| Mikroorganismus Prozentsatz der abgetöteten |
| Bakterien Bakterien |
| So bis 90 @ go bis 95 1 95 bis 100 |
| Strep. lactis 25 bis 25 bis 30 30bis35 35bis40 |
| Staphylococcus aureus 15 - 20 20 - 24 24 - 30 |
| Staphylococcus albus . I8 - 22 22 - 25 25 - 30 |
| Neisseria catarrhalis 15 Ig - 20 20 - 25 25 - 50 |
| Shigella paradysente- |
| riae 15 - 20 20 - 25 25 - 30 |
| Eberthella typhosa ... 15 - 20 20 - 30 30 - 35 |
| Escherichia coli ..... 15 - 20 20 - 25 25 - 30 |
| Proteus vulgaris .... 10 - 15 I5 - 20 20 - 30 |
| Bacillus anthracis 20 - 30 30 - 50 50 - |
| Bacillus subtilis ..... 25 - 35 35 - 45 45 - 55 |
| Rhodospirillum rubrum 25 - 30 @ 30 - 35 @ 35 - 40 |
Aus der Tabelle geht hervor, daß eine Bestrahlung von der gleichen Größenordnung
für eine große Anzahl von Bakterien erforderlich ist, so daß die mit E. Coli und
Proteus vulgaris vorgenommenen Versuche typisch für eine große Gruppe sind, nämlich
für diejenigen Bakterien, welche bei Körpertemperatur bzw. etwa 37° C sich am raschesten
fortpflanzen.
-
Obwohl die Einheit für die Kurve der Fig. 3 elf Impulse im Vergleich
zu sechs Impulsen für die mit bei 200 C gekennzeichnete Kurve war, zeigt diese doch
eine Abtötung von 87 0/o im Vergleich zu den nur 60 0/o Abtötung nach der Kurve
der Fig. 2, welche mit bei 200 C gekennzeichnet ist. Die eher zu vergleichende Kurve
ist die mit B bezeichnete, für welche die Einheit sich auf zwölf Impulse beläuft.
Man ersieht also hieraus, daß die vorliegenden Angaben und Kurven für E. Coli als
typisch für diese gesamte Gruppe von Bakterien zu betrachten sind, abgesehen davon,
daß die Gesamtstrahlung gemäß dem Verhältnis zwischen den Impulsen, die erforderlich
sind, um gewisse ausgewählte Bakterien abzutöten, und denjenigen, welche erforderlich
sind, um den E. Coli-Bazillus gemäß der vorstehenden Tabelle abzutöten, vergrößert
oder vermindert werden kann.
| Impulse am Rentschler |
| Mikroorganismus Tantalzellengerät |
| Bakterien Prozentsatz der abgetöteten |
| Bakterien |
| 80 bis 90 90 bis 95 95 bis 100 |
| Micrococcus piltonensis 35 bis 401 40bis 50 sobis 60 |
| Micrococcus sphaeroides 50 - 60 60 - 65 65 - 75 |
| Pseudomonas Fluores- |
| cens 10 - 20 20 - 25 25 - 32 |
| Serratis marcescens.., 15 - 20 20 - 25 25 - 30 |
| Phytomonas tume- |
| faciens ............ 15 - 20 20 - 25 25 - 45 |
Es wird nun noch eine Tabelle für gewöhnliche Schimmelarten angegeben, deren optimale
Wachstumstemperatur ungefähr die gleiche ist wie bei dem E. Coli-Bazillus, wobei
die Anzahl der Impulse angegeben wird, welche erforderlich sind, um praktisch 1000/0
abzutöten.
| Impulse zur |
| Schimmelarten |
| IooO/Oigen Abtötung |
| Aspergillus glaucus ........... 350 |
| Aspergillus flavus 500 |
| Aspergillus niger I500 |
Aus obigem ergibt sich, daß ein Weg ermittelt wurde, um strahlende Energie für Bakterientötung
wirksamer nutzbar zu machen, indem man die angewendete Energie über eine Zeit verteilt,
die wenigstens einer bis mehreren Lebensperioden der abzutötenden Keime entspricht.
Zum Vergleich mit Kurzabtötung möge hier hervorgehoben werden, daß eine zehnminutige
Exposition mit einer gegebenen Strahlungsmenge zu einer 60%igen Abtötung führte,
während eine zehnstündige Exposition eine Abtötung auf 99,9% ergab.
-
Weiter wurde festgestellt, daß statt einer gleichförmig niedrigen
Strahlungsstärke eine entsprechend stoßweise wirkende Hochstrahlung über lange Zeitabschnitte
verteilt mit gleich großer Wirkung Anwendung finden kann. Das ist wohl so zu erklären,
daß eine schwache Exposition die empfindlichen Keime tötet und daß bei fortschreitender
Lebensperiode auch die widerstandsfähigeren einen Zustand der höheren Empfindlichkeit
erreichen und leicht abgetötet werden, so daß dadurch die Wirksamkeit der Strahlung
stark anwächst.
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Wenn hier bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben wurden,
so ist doch klar, daß Abänderungen in gewissen Grenzen erfolgen können und daß die
Erfindung nicht notwendigerweise auf die Theorie über die eintretende Wirkung beschränkt
ist. Außerdem ist klar, daß es zwar den Vorzug verdient, eine solche Intensität
oder Verteilung der Energie zu gebrauchen, daß eine Höchstwirkung mit Mindestanwendung
von Energie erfolgt, daß aber auch manche Vorteile der Erfindung dann erzielt werden
können, wenn man eine bestimmte Energiemenge über eine Zeitdauer verteilt, die unterhalb
derjenigen liegt, bei der die höchste Abtötungswirkung mit Mindestaufwendung von
Energie eintritt. Wenn also beispielsweise die günstigste Expositionszeit I6 Stunden
beträgt, so können doch auch noch brauchbare Ergebnisse dann erzielt werden, wenn
die Belichtungszeit auf beispielsweise 4 Stunden verkürzt wird, und zwar gegenüber
einer so kurzen Expositionszeit, die etwa unterhalb I Stunde liegt.
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Obwohl der Lebenszyklus bei dem vorliegenden Verfahren eine wichtige
Rolle zu spielen scheint, ist es doch offenbar nicht notwendig, ihn in jedem Fall
zwecks maximalen Wirkungsgrades zu bestimmen, da ja die optimale Zeitdauer lang
ist. Eine Energieverteilung, die sich über ungefähr 15 Stunden erstreckt, scheint
also für Bakterien, welche bei Körpertemperatur ein optimales Wachstum zeigen, geeignet
zu sein, wenn sie bei 322/90 C anstatt bei etwa 37° C bestrahlt werden, während
eine Energieverteilung über 35 Stunden für die gleichen Bakterien geeignet ist,
wenn sie bei normalen Zimmertemperaturen oder etwa ao° C wachsen, obwohl fast ebenso
gute Ergebnisse zu erzielen sind, wenn die Energie über nur
I5
Stunden verteilt wird, wie im Zusammenhang mit den praktischen Ausführungsformen
vorgeschlagen wurde.