SE532365C2 - Detektorsystem för att mäta en koncentration av ett steriliseringsmedel - Google Patents

Description

25 30 35 532 385 En annan anordning för sterilisering av förpackningar visas i F ig. 2. I denna anordning 21 förs, medelst riktande rullvalsar 25, 27, en bana 23 av törpackningsmaterial genom ett bad 29 som innehåller flytande väteperoxidlösning.

Efter det att banan lärnnat badet 29 passerar den mellan två avskrapningsvalsar 31 som fördelar ut väteperoxiden jämnt över banan 23. Banan 23 kommer sedan, via en ingångsöppning 39, ini en uppvärmningskammare 37, förs genom uppvärmningskainmaren 37 medelst riktande rullvalsar 33, 35 och lämnar kammaren 37 genom en utgångsöppning 41. Uppvärmningskainmaren 37 innefattar ett uppvärmningsarrangemang, som schematiskt skissats upp som den streckade lådan 43, för att utföra avdunstning av väteperoxiden från banan. Avdunstnings graden beror naturligtvis på t. ex. uppvärmningstemperaturen och omgivningstemperaturen för väteperoxiden. Om koncentrationen av väteperoxid är alltför låg i uppvärmningskammaren, så kommer väteperoxiden att fórångas alltför snabbt, vilket resulterar i en risk för otillräcklig sterilisering. Om å andra sidan koncentrationen är alltför hög så ökar risken för icke tillåtbara rester av väteperoxid som blir kvar på banan då denna lämnar uppvärmningskarrnnaren. I Fig. 2 visas också huvudkatalysatom 45 som ger nedbrytning av väteperoxid innan utsläpp i omgivningsluften.

Det är uppenbart att en korrekt mätning av koncentrationen av steriliseringsmedel är av yttersta vikt i samtliga ovan nämnda fall. Om koncentrationsmätningsmetoden år grov så resulterar detta i att alltör mycket steriliseringsmedel används, eftersom en minsta nivå av sterilisering måste säkerställas.

Detta leder i sin tur till längre avdunstningstider, vilket sänker tillverkningshastigheten.

Traditionellt utförs koncentrationsmåtningar på ett av två sätt: 0 Indirekt, tex. genom att mäta massflödet eller volymflödet av flytande steriliseringsmedel kombinerat med massflödet eller volymflödet av upphettad luft, liksom parametrar såsom temperatur och tryck. Fördelen med den indirekta metoden är att den generellt är kostnadseffektiv och korrekt, åtminstone under längre tidsperioder. Exempel på nackdelar är att den är ganska långsam vad gäller svar på ändringar, eftersom den mäter medelíörbrukning av steriliseringsmedel och luft över tiden, vilket resulterar i att det används icke optimerade mängder av steriliseringsmedel. Vidare är nyckelinforrnation för effektiv processreglering förknippad med information avseende varje individuell förpackning. Sådan information skulle säkerställa säker hantering, spårbarhet och minimalt med spill. Denna nyckelinforrnation kan inte erhållas med sagda indirekta metod. 10 15 20 25 30 532 365 I Direkt, t.ex. genom att anordna koncentrationsdetektoreri specifika positioner.

Vissa existerande koncentrationsdetektorer som använts hittills har visat sig vara noggranna men är generellt, t.ex. i fallet med IR-detektorer, alltför ömtåliga, alltför utrymmeskrävande och alltför dyra fór den avsedda användningen.

Vidare är det en tuff miljö som detektom måste vara belägen i, eftersom väteperoxid är korrosivt, så det första kriteriet är att detektorrnaterialet kan tåla denna tuffa miljö. Det andra kriteriet är att detektonnaterialet inte bör bryta ned den instabila väteperoxiden. En detektor interagerar vanligen med en liten del av den totala volymen av steriliseringsmedel, vilket betyder att det andra lcriteriet inte är lika strikt som det första.

Med sterilisering menas avlägsnande eller avdödning av mikroorganismer i en viss tillämpningsspecifik grad. Beroende på tillämpningen kan det väljas olika nivåer av sterilisering för att tillmötesgå den önskade hållbarhetstiden fór den förpackade produkten.

Såsom termen steriliseringsbehandling används här utgör den en generisk term för operationer som utförs i anslutning till sterilisering av ett föremål, t.ex. en av de processer som beskrivs ovan, gasning för exponering fór steriliseringsmedlet följt av avdunstning och/eller ventilering för avlägsnande av steriliseringsmedel efter exponering.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att erbjuda ett detektorsystem som, vid användning av steriliseringsbehandling, eliminerar eller åtminstone lindrar nackdelar med känd teknik. Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att erbjuda en steriliseringsanordning som tillåter förbättrad processreglering genom användning av det uppfinningsenliga detektorsystemet. Dessa syfien åstadkommes med ett system i enlighet med patentkrav l, samt en anordning som använder sagda system. Föredragna utföringsformer presenteras i de beroende patentkraven.

Uppfinningen avser således ett detektorsystem fór att mäta en absolutkoncentration av ett steriliseringsmedel i en steriliseringsanordning som används vid tillverkning av förpackningar. Systemet innefattar en detektor, anpassad att arrangeras i en volym av steriliseringsgas för mätning av koncentrationen av densamma, en elektronisk processorkrets för utvärdering av utdata från detektorn, samt en I/O-enhet för kommunikation med processreglersystemen. Detektorsystemet enligt uppfinningen 10 15 20 25 30 35 532 355 innefattar vidare en högspänningskälla för drifi av detektorn, en första elektrod som, tillsammans med en andra elektrod anordnad på avstånd från den första elektroden, bildar en koronaspalt. Systemet använder sig av mätning av elektriska egenskaper för denna spalt, då en spänning appliceras över spalten och en koronaström strömmar mellan elektroderna, för att bestämma absolutkoncentrationen av steriliseringsmedel i spalten. Systemet innefattar vidare en temperatursensor som är anordnad i samma volym av steriliseringsgas.

Det uppfinningsenliga detektorsystemet ger en koncentrationsmätning on-line, vilken är enkelt, tillförlitlig och har ett rimligt pris. Enkelheten borgar för ett robust detektorsystem. Den rimliga kostnaden gör det möjligt att, om det anses vara nödvändigt, anordna ett flertal detektoreri en enda steriliseringsanordning, utan att på betydande sätt påverka steriliseringsanordningens totala kostnad. Mätningamas tillförlitlighet och noggrannhet säkerställer möjligheten att minimera förbrukningen av steriliseringsmedel under säkerställande av en förutbestämd grad av sterilisering.

Detektorsystemet möjliggör övervakning av steriliserings graden för individuella i behållare. Behållare som på något sätt avviker (avseende exponering för steriliseringsmedel) kan markeras individuellt och slängas eller följas upp. Använd- ningen av en temperatursensor möjliggör korrelering mellan utdata från detektorn och temperatur i den omgivande gasen. Eftersom sagda utdata i viss grad är ternperaturberoende så är det nödvändigt att använda en temperatursensor för att korrekt härleda de absoluta koncentrationerna av steriliseringsmedel.

Den första elektroden kan också ha en lägre elektrisk potential än den andra elektroden. Detta förhållande hänförs till som en "negativ potential". Användningen av en negativ potential för koronaspalten har visat sig resultera i förbättrad urskillning mellan vatten och steriliseringsmedel, vilket både möjliggör förbättrad mätning av steriliseringsmedel och möjlighet att särskilja vatten och steriliseringmedel.

I en eller flera utföringsformer kan systemet anpassas till att rampa den spänning som appliceras över koronaspalten och att utvärdera de resulterande elektriska egenskaperna för koronaspalten som funktion av spänning, för att härleda fram kondensation och/eller detektoms status. Kondensation av steriliseringsmedel är en nyckelparameter i många steriliseringsprocesser. Användning av det uppfinningsenliga detektorsystemet för denna mätning gör det möjligt att bestämma förekomsten av kondensation (t.ex. den faktiska daggpunkten) med hög noggrannhet och i snabbt tempo. Rampning av spänningen gör det också möjligt att kontrollera status för koronaspalten och att därigenom automatiskt skicka infonnation om status till 10 15 20 25 30 35 532 355 reglersysternet. På detta sätt kan driften av detektorsysternet skräddarsys för en individuell tillämpning, vilket minskar underhållskostnaderna. l en eller flera utföringsfonner har den första elektroden formen av en vass spets och den andra elektroden erbjuder en skyddande struktur, företrädesvis i form av en generellt U-formad slinga eller en kupol. Användning av omgivande struktur som skyddar elektroden som jordpunkt minskar antalet komponenter i detektorn. Mindre material runt omkring elektroden ökar också gasflödet runt elektroden, vilket förbättrar noggrannheten utan att på betydande sätt påverka flödet av steriliseringsgas. Av i princip samma skäl minskar också användningen av en U-formad slinga påbyggnad på den omgivande strukturen av kemiska stabiliseringsmedel som är närvarande i steriliseríngsmedlet. Den andra elektroden kan också ha formen av ett L (järnför med elektroden hos ett vanli gt tändstift).

I en eller flera utföringsformer kan den första elektroden, den andra elektroden och, då sådan finns, ternperattirsensom, ledas genom en gemensam elektrisk isolator, företrädesvis konstruerad av ett keramiskt material. Användningen av en gemensam isolator möjliggör tillverkning av en enkel och robust detektor. Användningen av ett keramiskt material är lämpligt ur flera aspekter. Keramik utgör t. ex. en bra elektrisk isolator, är tåligt och är förenligt med strikt hygienisk standard. Andra möjliga material inkluderar glas, polyrnerer etc.

I en utföringsforrn av uppfinningen erbjuds det en anordning för steriliseringsbehandling av förpackningar, vilken anordning innefattar ett uppfinningsenli gt detektorsystem. Anordningen för steriliseringsbehandling av förpackningar kan vidare innefatta medel för att korrelera en viss förpackning, en viss grupp av förpackningar eller en del av en bana av förpackningsmaterial med koncentrationen av steriliseringsmedel som appliceras på den speciella förpackningen, gruppen av förpackningar eller delen av banan av förpackningsmaterial. Detta uppföljningssärdrag innebär ett fördelaktigt särdrag för det uppfinningsenliga detektorsystemet. Det gör att steriliseringsprocessen blir mera tidseffektiv, mera kostnadseffektiv och mera tillförlitlig. Exempel på uppföljningar inkluderar, men är inte begränsade till, fysisk markering av en behållare eller grupp av behållare, registrering av en koncentrationsmätning mot en förutbestämd behållaridentifiering, och så vidare.

Generellt sett kan en steriliseringsanordning som utnyttjar det uppfinningsenli ga systemet dra nytta av alla fördelar som är förknippade med det uppfinningsenli ga detektorsystemet. 10 15 20 25 30 532 355 Kort figurbeskrivning Fig. l är en vy i perspektiv och delvis skuren, som visar en första anordning för sterilisering av behållare.

Fig. 2 är en sidovy i tvärsnitt vilken visar en andra anordning för sterilisering av behållare.

Anordningama enligt Fig. 1 och 2 har presenterats tidigare.

Fig. 3 är en förklarande skiss avseende principen för koronaurladdning.

Fi g. 4 är ett kretsschema som illustrerar principen för mätning med koronaström.

Fig. 5 är en graf som visar experimentella resultat.

Fig. 6 är en graf över koronaström som funktion av koronapotential, med och utan kondensation på koronaelektroden.

F i g. 7 är en tvärsnittsvy i perspektiv över en koncentrationsdetektor som används i en utföringsform av uppfinningen, anordnad i en ledning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Innan vi fokuserar på föreliggande detektorsystem följer en kort diskussion avseende några teoretiska aspekter av mätningar av koronaström, med hänvisning till Fig. 3.

Fig. 3 är en förklarande skiss som illustrerar principen för koronaurladdning.

En första elektrod 101 är anordnad på ett avstånd från en andra elektrod 102 som är ansluten till jordpotential och tillsammans bildar de en koronaspalt. En i detta exempel positiv potential om flera kV appliceras på el ektroden, vilket resulterar i ett elektriskt fält som illustreras av fáltlinjema 110. Detta kommer att resultera i att fria elektroner lll börjar röra sig i det applicerade elektriska fältet, vilket resulterar i en elektrisk ström eller koronaström. Då elektronerna närmar sig elektroden 101 kommer de att accelerera till sådan grad att kollisioner med neutrala molekyler l 12 kommer att skapa fler fria elektroner, och så vidare. Denna lavinartade effekt kommer att förstärka koronaströmmen.

Drivkraften för processen ovan är relativskíllnaden i elektrisk potential mellan elektroderna 101, 102 och användningen av en jordpotential för den andra elektroden 102 i exemplet/exemplen ovan och nedan bör inte tolkas i begränsande betydelse.

Termen "positiv potential" avser situationen enligt ovan, i vilken den första elektroden 10 15 20 25 30 35 532 385 101 har högre elektrisk potential än den andra elektroden 102, även om båda kan vara negativa, positiva eller en av varje, inom definitionen.

Om det finns joner, speciellt elektronegativa joner 113, i koronaspalten så kommer de att absorbera kolliderande elektroner 111 och därigenom skära av ett antal av lavinförgreningarria och orsaka en utpräglad, mätbar minskning i koronaströmmen.

En spänning som appliceras över koronaspalten resulterar i en koronaström genom koronaspalten, vilket gör det möjligt att tillskriva spalten ett motstånd, en konduktans och andra elektriska egenskaper. l det följ ande beskrivs en experimentell apparatuppsättning med hänvisning till Fig. 4.

Elektroden, en spetsig metallspets 101, är omgiven av en öppen metallbur 102.

Buren 102 är utformad att tillåta gas att passera fritt därigenom och att skydda den spetsiga spetsen 101 från mekanisk skada. Spetsen l0l är elektrisk isolerad från dess omgivning, inkluderande metallburen 102, företrädesvis medelst en icke porös keramisk isolator 103. Buren 102 kommer generellt att kopplas till jordpotential via elektriska ledningar 200. Enheten är belägen i en gasvolym 104 (såsom fuktig luft), för vilken det är önskvärt att känna till ångkoncentrationen av väteperoxid.

En hög DC-spänning (typiskt 3-8 kV), som genereras av en stabiliserad källa 202, appliceras på spetsen 101 via elektriska ledningar 201 och en resistor 105.

Spänningen är tillräcklig för att en jämn koronaurladdning 106 ska äga rum vid metallspetsens l0l fria ände. Storleken av koronaurladdningen 106 härleds genom att mäta den elektriska ström som strömmar genom denna, vilken i sin tur kan beräknas utifrån spänningsfallet 107 som uppkommer över resistom 105. Storleken av strömmen och därmed spänningsfallet 107, observeras sjunka i ungefär omvänd proportion mot koncentrationen av väteperoxid. Det finns flera tekniker för att mäta de elektriska egenskaperna (motsvarande koronaström, koronakonduktans etc.) för komponenter (såsom en koronaspalt) i högspänningskretsar, av vilka inga kommer att diskuteras i detalj här.

Vad gäller de teoretiska diskussionema ovan är väteperoxidgas elektronegativt, vilket betyder att molekylerna har en tendens att fånga in fria elektroner. Då de införs i koronaspalten kommer väteperoxidrnolekylerna att fimgera som elektronfångare och infånga de fi~ia elektronema som skapar strömmen genom koronaspalten. Eftersom molekylema har så stor massa järnfört med elektronerna, kommer de effektivt att minska strömmen. Denna minskning i ström (eller ökning i motstånd) är mätbar och proportionell mot koncentrationen av väteperoxid i spalten. Vid nedbrytningen av väteperoxid bildas det hydroxylradikaler och de utgör till och med starkare 10 15 20 25 30 35 532 355 elektronfångare. Båda dessa varianter kommer således att på effektivt sätt immobilisera elektronerna och därigenom minska koronaströmmen.

I praktiska tillämpningar avseende sterilisering av förpackningar, används det generellt väteperoxid blandat med vatten och stabiliserare som väteperoxidkälla. Detta betyder att det även kommer att vara vattenmolekyler närvarande i koronaspalten.

Under undersökningarna som var förknippade med föreliggande uppfinning kompenserades denna närvaro för i utvärderingen av signalen från detektorn.

Fig. 5 är en graf som visar en faktisk variation i väteperoxidkoncentration över tiden som en vit linje överlagrad koncentrationen som evaluerats från mätning av koronaströmmen, vilken ritats som en heldragen linje. Det är tydligt från grafen att den utmärkt goda korrelationen mellan koronamotstånd (eller -ström) och väteperoxidkoncentration gör det möjligt att använda koronaström som mått på väteperoxidkoncentration. Linjerna som omger mätkurvorna motsvarar intervall :tlO% i förhållande till den verkliga variationen.

Daggpunkten är av intresse vid sterilisering med ett gasformigt steriliseringsmedel. l vissa fall är det önskvärt att undvika kondensation av steriliseringsmedel och i andra fall är kondensation ett önskat resultat. I vilket fall som helst är det önskvärt med ett tillförlitligt mätt på förekomsten av kondensation. Fig. 6 illustrerar schematiskt hur närvaron av kondensation kan fastställas med föreliggande detektorsystem genom en korrelering mellan koronaspärming/-potential och koronaström. I grafen i Fig. 6 visas det två kurvor. Den första kurvan (heldragen linje) illustrerar hur kurvan ser ut utan kondensation. Under rampning av koronapotentialen från noll och uppåt kommer koronaströmmen att vara noll till dess att en viss tröskelpotential uppnåtts. Detta motsvarar den potential vid vilken det börjar uppkomma betydande elektrongenererande laviner. Efter denna tröskel ökar koronaströmmen proportionellt mot koronapotentialen. Den andra kurvan (streckad linje) illustrerar kurvans utseende då kondensation är närvarande på elektroden. Detta kommer att resultera i läckströmmar som otvetydigt visar sig i den resulterande grafen som en klar ökning i (falsk) koronaström under tröskelpotentialen. Rampningen av potentialen utförs enkelt.

Ett annat exempel på detektorsysternets mängsidighet är att dess prestanda kan övervakas kontinuerligt eller vid fasta intervall. Detta är möjligt genom att t.ex. övervaka tröskelpotentialen dag för dag. Då elektroden slits ned kommer tröskelpotentialen att ändras, vilket gör det möjligt att schemalägga underhåll eller ersättande utan att montera isär detektorn. Ett annat sätt att övervaka dess prestanda är 10 15 20 25 30 532 385 att rampa spänningen, som vid daggpuriktsmätningen eller från en negativ till en positiv potential.

Sarmolikt varierar koncentrationen av steriliseringsmedel långsarnt eller inte alls under en steriliseringsprocess. En plötslig och abrupt topp i koronaströmmen indikerar att ett fysiskt föremål har träffat koncentrationsdetektom. Då fysiska föremål är oönskade i en steriliseringsprocess så kan denna information vara viktig för processregleringen.

I det följande kommer en uttöringsforrn av detektorn 300 som används i detektorsystemet att beskrivas med hänvisning till Fig. 7 i vilken detektorn 300 är anordnad i en ledning 310 i vilken väteperoxidkoncentrationen skall mätas.

Detektom 300 innefattar en första elektrod 301 i fonn av en vass metallspets, samt en andra elektrod 302 i form av en U-formad slinga 303. Denna slinga 303 skyddar också den första elektroden 301 under hantering och användning. Den första elektroden 301 och den U-forrnade slingan 302 är positioneradei en isolator 303 som är tillverkad av ett elektriskt isolerande material. Då isolatorn 303 skall användas för det avsedda syftet i en steriliseringsanordning måste derma tillverkas av ett material som uppfyller de standarder som finns, t.ex. avseende hygien i samband med livsmedelshantering. Exempel på materialklasser där man kan hitta godkända kandidater är keramik, glas och polymerer. I det illustrerade exemplet innefattar isolatom 303 ett keramiskt material. Den keramiska isolatorn 303 är i sin tur anordnad i en muff 311 som företrädesvis är tillverkad av rostfritt stål. Detektorn kan också innefatta en temperatursensor 312 i form av ett termoelement. Det behövs ett korrekt mått på temperaturen för att erhålla ett korrekt mått på koncentrationen. Därför är det fördraget att mäta in situ. Muffen 311 är inpassad i en öppning i ledningen 310 och ett tätningselernent (visas ej) kan vara anordnat i ett perifert spår 313 för att täta öppningen då en fläns hos muffen 311 pressas mot ledningen 310 medelst en fástkrage 314 som skruvas mot ledningen 310.

Det finns ett begränsat antal material som teoretiskt är anpassade för detektorns aktiva delar (generellt elektrodema 301, 302). Materialen bör inte brytas ned av väteperoxiden och inte bryta ned väteperoxiden. Exempel inkluderar rostfritt stål och aluminium, även om flera andra är möjliga. I praktiken kan ett lämpligt detektorsvar på den mätta substansen vara viktigare än det andra eller till och med det första kriteriet.

Elektroden kan också innefatta flera material såsom en kärna av ett material belagd med ett annat material. 10 15 532 355 lO I praktisk tillämpning är detektorsystemet anordnat i en steriliseringsanordning.

I fallet med en anordning 1 enligt Fig. l, i vilken steriliseringsmedel sprayas in i individuella behållare, är detektorn generellt belägen i en ledning som leder steriliseringsmedlet till spraymynningen 13. I fallet med en anordning 21 enligt Fig. 2, med ett steriliseringsbad 29 och en uppvärrnningskannnare 37, är detektorn generellt belägen i en representativ position i uppvärmningskammaren 37. Under koncentrationsmätningar får detektorn 300 kraft från en hö gspärmingskälla med varierbar utspänning. Signalen från detektorn bearbetas i en mikroprocessor i vilken de relevanta egenskapema för koronaspalten härleds fram. Mikroprocessom står i kommunikation med en processreglerenhet i vilken det bestäms vilka åtgärder som ska vidtas till följd av koncentrationsmätningen. Dessa åtgärder inkluderar, men är inte begränsade till, att stoppa processen, öka mängden steriliseringsmedel, minska mängden steriliseringsmedel, märka upp otillräckligt eller alltför mycket steriliserade behållare etc.

De hänvisningssiffror som citeras i de bilagda patentkraven finns där i förklarande syfte och skall inte ses som begränsande for patentkravens omfång.

Claims (7)

10 15 20 25 30 532 355 ll PATENTKRAV

1. Detektorsystem för att mäta en koncentration av ett steriliseringsmedel i en steriliseringsanordning som används vid tillverkning av förpackningar, vilket system innefattar en detektor (300) anpassad att arrangeras i en volym av steriliseringsgas för att mäta koncentration av densamma, en elektronisk processorkrets för att utvärdera utdata från detektorn (300), varvid detektorsystemet vidare innefattar en I/O-enhet för kommunikation med processreglersystem, kännetecknat av att detektorsystemet innefattar en hö gspänningskrafikälla för drift av detektorn, en första elektrod (301) som tillsammans med en andra elektrod (302), anordnad på avstånd från den första elektroden, bildar en koronaspalt, och av att systemet använder sig av mätning av elektriska egenskaper för denna spalt då en spänning appliceras över spalten och en koronaström strömmar mellan elektrodema (301 , 302), för att bestämma absolutkoncentrationen av steriliseringsmedel i spalten, varvid detektorsystemet vidare innefattar en temperatursensor (312) anordnad i samma volym av steriliseringsgas.

2. Detektorsystem enligt något av föregående krav, varvid den första elektroden (301) har en lägre elektrisk potential än den andra elektroden.

3. Detektorsystem enligt något av föregående krav, varvid systemet är anpassat till att rampa den spänning som appliceras över koronaspalten och att utvärdera de resulterande elektriska egenskaperna för koronaspalten som funktion av spänning, för att härleda fram kondensation och/eller detektoms (3 00) status.

4. Detektorsystem enligt något av föregående krav, varvid den första elektroden (301) har formen av en vass spets och den andra elektroden (3 02) erbjuder en skyddande struktur, företrädesvis i form av en generellt U-formad slinga eller en kupol.

5. Detektorsystem enligt något av föregående krav, varvid den första elektroden (301), den andra elektroden (302) och temperatursensom (312), då sådan är 10 532 355 12 närvarande, är ledda genom en gemensam isolator (303), som företrädesvis är tillverkad av ett keramiskt material.

6. Anordning för steriliseringsbehandling av förpackningar, innefattande ett detektorsystem enligt något av föregående krav.

7. Anordning enligt krav 6, vidare innefattande medel för att korrelera en viss förpackning, en viss grupp av förpackningar eller en del av en bana av förpackningsmaterial med koncentrationen av steriliseringsmedel som appliceras på den speciella förpackningen, gruppen av förpackningar eller delen av banan av förpackningsmaterial.