DE2227059C3 - Vorrichtung zur Oberflächensterilisation von Stoffen - Google Patents
Vorrichtung zur Oberflächensterilisation von StoffenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Oberflächensterilisation von Stoffen.
Insbesondere handelt es sich dabei um eine Vorrichtung zur Benutzung intensiver energetischer Elektronenstrahlbündel für die Sterilisation und andere Behandlung
von Oberflächen von Stoffen, vorzugsweise solchen, die für die Verpackung steriler oder pasteurisierter Waren
und dergleichen verwendet werden.
Es ist bisher vorgeschlagen worden, Papier-, Glas-
und Kunststoffbehälter und dergleichen mit Hilfe von infraroter, ultravioletter und Mikrowellen-Bestrahlung
zu sterilisieren. Hierzu sei z. B. verwiesen auf: H s u,
D. S, »Ultra High Temperature Processing and Aseptic
Packaging of Dairy Products«, Damana Tech. Inc, N. Y,
1970; Lawrence,C. A.et al,»Disinfection,Sterilization and Preservation«, Lea and Febiger, Phila, Pa,
1968; und Richards, J. W., -»Introduction to Industrial Sterilization«, Academic Press, N. Y, 1968.
Solche Techniken haben wegen der nachteiligen Materialbeschädigung, die sich im Falle von infraroter
Beheizung ergibt, und der erheblichen Unwirksamkeit der ultravioletten und Mikrowellen-Techniken keinen
wirtschaftlichen Erfolg erlangt. Als eine Folge davon wurde auf die Verwendung von chemischen Qesinfektionsmitteln wie H2O2, CI2 oder Äthylenoxid gewöhnlich
!o in Verbindung mit Hochdruckluft bei hoben Temperaturen zurückgegriffen, um die VerpackungsoBerfläche von
dem chemischen Desinfektionsmittel wieder zu reinigen. Diese Technik hat jedoch ein kompliziertes relativ
langsames Verfahren zur Folge, das für schnelle
Verpackungsanwendungen nicht so gut geeignet ist, bei
denen Sterilisationszeiten von weniger als eine Sekunde gewünscht sind, ohne daß die Verweilzeiten berücksichtigt werden, die durch Luft- oder thermische Trocknung
erforderlich sind
Noch ein anderes physikalisches Verfahren ist zur Vernichtung von Mikroorganismen einige Zeit lang in
der Massensterilisation verwendet worden, nämlich Gamma- oder Röntgenbestrahlung. Schon frühzeitig
gemachte Vorschläge dieser Art sind z. B. beschrieben
in den US-PS 24 29 217 und 24 56 909. Unglücklicherweise sind die .«leisten dieser Strahlungsquellen
(typischerweise Co60 bzw. Beschleunigerquellen) nicht intensiv genug, um eine schnelle Sterilisation von
großen Flächen bei Dosispegeln von 1,5 bis 4,5 Megarad
zu erlauben, die' typischerweise für die Anwendung verlangt werden. Hinzu kommt, daß höhere Energiequellen unvorteilhafterweise für diese Zwecke gefordert
werden, da der Nutzeffekt von Röntgenstrahlenerzeugung nur mit der 2£fachen Arbeitsleistung der
J5 Maschinenspannung steigt und nicht zu brauchbaren
Umwandlungswirkungsgraden von einigen Prozent führt, bevor nicht Energien von gut über 1 MeV in dem
Beschleuniger erzeugt werden. So,khe Röntgenstrahlen
hoher Energie können zu gewissen neutronenerzeugen
den Reaktionen in der Materie führen [{γ, μ) oder
Fotoneutronenreaktionen], die ihrerseits zu ungünstiger Formierung des bestrahlten oder sterilisierten Stoffes
führen können. Dieses Problem ist gründlich untersucht worden und gehört, obwohl es im allgemeinen nur eine
4S kleine Wirkung besitzt, offensichtlich zu denen, die der
Sterilisationsprozeß nicht aufkommen lassen sollte.
Es ist auch bekannt (Coolidge, W. D. »High
Voltage Cathode Rays Outside the Generating Tube« Science 1925, S. 441-442), Elektronen durch ein
Aluminiumfenster in Luft hinein passieren und auf
Bakterien auftreffen zu lassen, wobei von Spannungen zwischen 7OkV und 25OkV berichtet wird. Die
Verwendung herköinmlicher Röntgenröhren ergab jedoch eine ungleichmäßige Streuung mit einem
Ausbreitungsspektrum stark veränderlicher Ausbreitungsenergie, die sich für eine zuverlässige Oberflächensterilisation geringer Eindringtiefe als ungeeignet
erwies.
Erfindung darin, eine neue und verbesserte Vorrichtung zur Oberflächensterilisation und/oder Behandlung zu
schaffen, welche die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist.
a) Einrichtungen zur Erzeugung eines gepulsten Elektronenstrahlbündels (4') einer Energie von 50
bis 200 keV, bestehend aus einem Kondensatorsystem (1) und einem dieses auf eine Gleichspannung
von ±100 000 V aufladenden Transformatorsystem
(2) hoher Reaktanz, sowie einem getriggerten Schalter (3) zur Erzeugung von Impulsen von
Mikrosekünden- und kürzerer, vorzugsweise von 60 ns Dauer.
b) eine gashaltige Bestrahlungszone, die so angeordnet ist, daß sie dieses Elektronenstrahlbündel
empfangen kann, und die mit einer Fördereinrichtung ausgerüstet ist, um die aufeinanderfolgenden
„ Artikel durch die Zone zur darin erfolgenden
Jf Bestrahlung hindurchzubewegen und
i| c) eine Einrichtung, die entlang der Bewegungsrich-H
tung der Artikel durch diese Zone zur Abschirmung
'$ solcher Röntgenstrahlen angeordnet ist, die er-
ΪΙ zeugt werden könnten. .
sif In Obereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
if hat sich herausgestellt, daß eine derartige Vorrichtung
'zur Sterilisation von Stoffen unter unmittelbarer ?l Benutzung von Elektronen niedriger Energie arbeiten
■'ί kann, woraus sich die folgenden Vorteils ergeben:
^ (I) Der mit der Umwandlung von der kinetischen
'..k Energie der energetischen Elektronen in Brems-
?! Strahlmessung oder Röntgenstrahlung verbünde^
>S ne schlechte Nutzeffekt entfällt, so daß sich ein
;¥ hoher Leistungswirkungsgrad für das Verfahren
Λ: ergibt Direkte Elektronenbeschleunigungssyste-
me können mit einem über 90% liegenden
: *: Leistungswirkungsgrad arbeiten.
Λ (II) Die mit der Verwendung von Systemen hoher
■ΐ Energie von einem halben Megaelektronenvolt
und darüber verbundenen Probleme entfallen. Die ■ Hauptprobleme, die hier auftreten, sind Maschi-
ψ nongröße, Komplexität, Kosten und Abschirmung,
wobei die Abschirmung ein sehr ernstes Problem für die Sicherheit des Bedienungspersonals in
Anlagen mit hoher Energie darstellt
(III) Die Elektronenstrahlen können so gebündelt und auf die Oberfläche oder in die zu bestrählenden
Oberflächen gerichtet werden, daß sich eine weitere Ausnutzung der Energieverwertung er-
: gibt
(IV) Hohe Verfahrensgeschwindigkeiten sind möglich, da die direkt vom Beschleuniger zum Werkstück-
■ '■:. artikel übertragenen Elektronenstrahlbündel mit
sehr hoher Stromdichte abgegeben werden «
können. Da die für die Sterilisation oder Pasteurisation oder ähnliche Verfahren geforderte
Elektronendosis in Einheiten der absorbierten Energie pro Mate'ialmasseneinheit gemessen
wird, steuert die Stromdichte oder der Energiefluß >(l
an der Werkstückoberfläche eindeutig die Behandlungsgeschwindigkeit von jenen Oberflächen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung liefern relativ intensivz Elektronenstrahlbündel Höchstenergieflußpegel,
die gut über jenen durch irgendeine andere nichtnukleare Technik erreichbaren Pegeln liegen und einen weiten und völlig
bestimmbaren Bereich von Elektronendosisabgabebeträgen erzeugen.
(V) Durch Behandlung mit hohen Bestrahlungsbeträ·
gen ergibt sich eine verminderte Werkstoffbeschädigung. Ein Vergleichstest von herkömmlichen
Verpackungsmaterialien hat die für den Fall bei derselben (sterilisierenden) Elektronendosis
von Co60 bei 100 rad/s gezeigt. Als eine Folge t5
ergeben sich verbesserte Eigenschaften sowohl an der Oberfläche als auch im Gefüge in den meisten
polymeren Materialien, wenn eine Bestrahlungsbehandlung
mit hohen Bestrahlungsbeträgen durchgeführt wird, während dieselbe keimtötende
Wirkung erhalten wird. Ein Vergleich von Materialausdehnungsdaten für Co60 und Elektronenbestrahlung
mit hohen Bestrahlungsbeträgen veranschaulicht das:
Absolute | Absolute | |
Festigkeit | Dehnung | |
kp/cm | % | |
Prüfmaterial (Polystyrol) | 7,6 | 88,6 |
Mit Co60 bestrahlt (100 rad/s) | 7a | 77,0 |
Mit Elektronen bestrahlt | 8,5 | 94,8 |
(10« rad/s) | ||
Prüfmaterial (Polyäthylen) | 8,2 | 135,5 |
Co60 bestrahlt (100 rad/s) | 7,0 | 105,0 |
Mit Elektronen bestrahlt | 73 | 136,7 |
(10« rad/s) |
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt- Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Oberflächensterilisation gemäß der Erfindung;
F i g. 2a, 2b und 2c Ansichten von mit der Erfindung
ausgestatteten keimfreien Füllsystemen.
Bei der Vorrichtung in Fi g. 1 ist ein Kondensatorsystem 1 auf ±100 000 V Gleichspannung durch ein
Transformatorensystem 2 aufgeladen, das über einen getriggerten Schalter 3 geschaltet wird, um Impulse von
MikroSekunden- und kürzerer Dauer, sozusagen von 60 Nanosekunden, und einen Elektronenstrahl 4' von
15 000 Ampere bei 125 keV Maximalenergie durch das Fenster 6 zu liefern. Der den Strom begrenzende
Transformatortyp hoher Reaktanz ist vorzugsweise von der z.B. in »Electronic Transformers and Circuits·/, S.
2IO-212; Reuben Lee, John Wiley and Sons, N.Y,
1947, beschriebenen Art Das Auflade- oder Entlade-System -Lärm eine einfache L-C-R-Schaltung sein, in der
R»(L/C)I/2, die z.B. in »Electronic an Radio Engineering«,
Kap. 3, F. E Terman, McGraw Hill inc, N. Y. 1955, beschrieben ist
Der getriggerte oder befehlsgeleitete Drehschalter 3 wird verwendet, um eine synchronisierte Sterilisationssteuerung mit dem Rest des Verpackungssystems
einzuführen. Dieser Schalter kann z. 8. von der in »Pulse
Generators«vonG.N. G1 asοe und J. V. Lebacqz,
S. 275-294, McGraw-Hill Book Co. Inc, N. Y. 1948, beschriebenen Art sein. Strahlenbündel relativ niedriger
Energie von 50 bis 200 keV sind für diese Anwendungen gceignf. Eine solche Sterilisiervorrichtung, die eine
Energie von ungefähr 100 Ws pro Impuls liefert, kann leicht 400 cm2 Oberfläche von Proximalbehälttrn 7 oder
ähnlichen Artikeln 7 die zum Bestrahlungssystem von einem Förderband 8 getragen werden, bei Dosispegeln
von 1,5 Mrad und bei Impulsfolgefrequenzen von 4 Hz sterilisieren; d.h. loOOcmVs. Der Durchschnittsleistungsverbräuch
des Systems beträgt 500 Watt, und es kann bei einem Druck von einer Atmosphäre in
trockenem N2 oder SFe isoliert und leicht mit einer 6 mm
starken Bleidecke 6' auf einer Ummantelung 5 abgeschirmt werden, die die Strahlungsfläche umgibt.
Durch Verwendung solcher Elektronen relativ niedriger Energie in Verbindung mit Behälterwänden
hoher spezifischer Energieabsorption, wie aus dem vorher erwähnten Polystyrol und dergleichen, werden
die Wandoberflächen durch die in den Wänden nach geringer Eindringtiefe absorbierte Energie sterilisiert,
wobei die Erzeugung von Röntgenstrahlen auf ein Mindestmaß herabgedrückt wird und die wenigen
dieser erzeugten Strahlen gegen die äußere Umgebung durch relativ dünne Führungsblenden 9 entlang der
Bewegungsrichtung der Behälter abgeschirmt werden.
Eine weitere Verbesserung dieser Erfindung für sterile oder keimfreie Verpackungsanwendungen verwendet die sehr hohen Ozonanfälle (O3), die sich aus der
Anwendung des Systems unter aeroben Bedingungen ergeben. Die desinfizierenden Eigenschaften des so
erzeugten Ozons werden verwendet, um einen sterilen Zustand auf den Wänden des Systems als auch während
des keimfreien Füllens, Verschließens und der Weiterleitung der Erzeugnismenge zu erhalten, wie in der
gashaltigen Bestrahlungszone von F i g. 1 und 2a insbesondere gezeigt ist bine zweite Abwandlung
würde die Verwendung einer inerten oder nichtaeroben
Gashülle wie Ni oder Argon einschließen, um Behinderungs- oder Verschlechterungswirkungen des Sauerstoffes an der behandelten Oberfläche zu vermindern
und um energetische Röntgenstrahlen hervorzurufen, die von den durch die Primärelektronen erzeugten
Ablösungs- oder Leerstellenenergien erregt werden.
Diese Sekundärröntgenstrahlen werden isotropisch ausgestrahlt und werden bei der Oberflächensterilisation der ganzen Fläche mitwirken und helfen, einen
Sterilitätszustand in dem gesamten Arbeitszonenraum 4 der Verpackungsvorrichtung zu erhaltea Eine dritte
Variante kann die Oberflächensterilisiervorrichtung selbst verwenden, um die umschließende Umgebung
(Gase) für Inhaltschutz zu sterilisieren. Eine vierte Abart kann die Oberflächensterilisiervorrichtung verwenden,
um keimfreie Zustände auf der Behälterfülloberfläche zu erhalten. Eine fünfte Abart kann ein uhravioleilrciches Gas wie Xenon in dem Arbeitszonenraum 4
verwenden, um die Systemoberflächensterilisation durch die intensiven ultravioletten Entladungsstöße zu
steigern, die durch das gerichtete Elektronenstrahlbünde'i niedriger Energie erzeugt werden.
Das in F i g. 1 gezeigte System wird durch den Verpackungsverteiler befehlsgesteuert, der den sterilen
Behälter 7 dem System vor dem Füllen liefert. Wie in
F i g. 2a jedoch gezeigt ist, kann dieselbe Anlieferung verschiedene Elektronenstrahlköpfe für eine intermediäre Behandlung in der Füllzone 4 steuern. Das
keimfreie Verpackungssystem von Fig.2a besteht aus
einem zentralen Impulsgeber oder einer Spannungsversorgung Γ, wobei diese Vorrichtung nacheinander
verwendet wird, um mehrere Sterilisierungsköpfe (A, B,
C usw.) zu erregen, die in der keimfreien Füll- und Verpackungszone 4 angeordnet sind. Em Folgeschalter
S wird verwendet, um dem gewünschten SteriBsierungskopf den Erregungsimpuls zu liefern; dies geschieht
nacheinander ausgehend von Kopf A, der Verpackungssterilisationseinheit, die die innere Berührungsoberfläche des Behälters nach dem bereits beschriebenen
Verfahren behandelt. Für tiefe Behälterabmessungen kann eine koaxiale Kopfform verwendet werden, die in
die Verpackung selbst zwecks koaxialer Oberflächenbestrahlung eingesetzt wird.
Der Folgeschalter S schaltet dann z. B. auf Sterilisationskopf B, der, wie Fig.2a and 2b zeigen, von
koaxialer Form ist Solch ein System wird verwendet, um die Oberfläche des FüDkopfes 3' während der
zurückgezogenen Stellung bei jedem Arbeitsvorgang in einem keimfreien Zustand zu halten. Der Folgeschalter
S liefert dann dem Kopf C zwecks Sterilisation des Verpackungsdeckels selbst und der verschließenden
Oberflächen eine Erregungsenergie.
Ein Steuerschalter 5'wird normalerweise verwendet,
um den Impulsgeberausgang mit dem Folges 'lalter 5
und dem verbleibenden Teil der Verpackungslunktionen zu synchronisieren. Der Steuerschalter kann von
der bekannten schnellen Trigatron-Art sein, während der Folgeschalter von der herkömmlichen langsameren
Drehschalterart sein kann. Die ganze keimfreie Füll-
und Verpackungszone 4 ist von einer niedrigen Z-Umhüllung oder Ummantelung umgeben, die weiter
mit einer dünnen Bleidecke 6' abgeschirmt ist. Die Behälter 7 werden durch die Füll- und Verpackungszone
auf einem Förderband 8 getragen.
Keimfreie Zustände in dem Arbeitsraum 4 werden durch die Verwendung hochwirksamer Partikelfiltrierung (2') der Luft erreicht (wie z. B. in »Sterilization
Filtration«, W.C Fifield, Kap. 45. Disinfection,
Sterilization and Preservation, ed. CA. Lawrence and S.S. Block, Lea and Febiger, Phila, 1968
beschrieben), so daß ein positiver Druck steriler Luft in -5 Zone 4 erhalten wird. Eine andere Abart könnte einen
der Sterilisierungsköpfe selbst verwenden, um aus der Verpackungsumgebung eingelassene Luft zu sterilisieren. Zum Beispiel kann, wie F i g. 2b zeigt, ein koaxialer
Kopf wie B verwendet werden, um während jedes Arbeitsvorgangs vom Füllkopf 3' in die Zone 4
getriebene Luft zu behandeln. Auf diese Weise wurden nur einige wenige Arbeitsvorgänge der Köpfe A-C
erforderlich sein, um vor Betriebsaufnahme der Behälter 7 am Verpackungssterilisationskopf A für eine
keimfreie Zone zu sorgen. Der durch die Wirkungsweise der Siasebaigröhre S* auf den Füllkopf 3' in der Zone 4
erhaltene leichte positive Druck würde sicherstellen, daß Einsickerung von verschmutzter Luft aus den
Absaugkanälen 10, 11 und 12 ausgeschlossen würde. In
der gleichen Weise wie verstreute Elektronen und Erregung der Luft durch direkte ultraviolette bzw.
Röntgenstrahlen eine Oberflächenverpackungssterilisierung bei Kopf A unterstützen, tragen diese gleichen
Wirkungen zur Keimfreierhaltung der Zone 4 von den Sekundärwirkungen der Köpfe A und Cbei.
Eine weitere Abwandlung dieser Technik ist insbesondere für die kontinuierliche Sterilisation von
Material in Streifenform geeignet, das bei der Herstellung der Behälter selbst verwendet wirr! Eine
typische Anwendung wird schematisch in Fig.2c
gezeigt, in der ein Elektronenstrahl-Sterilisationskopf A in Streifenform zur Oberflächensterilisierung des
Verpackungsmateriali M verwendet wird, das in eine Rohrschweißeinheit T eingeführt wird z.B. in eine
»Tetrapake-Einheit (wie in »Aseptic Filling in Tetra-Pak Sterilization of Paper«, P. Swartling and B.
Lindgren, Milk and Dairy Resarch Report 66,
Alnarp, Schweden beschrieben).
Eine solche Einheit kann Walzenabscheider R verwenden, um die sterile Zone 4 gegen die äußere
infizierte Umgebung abzuschließen und steriles Material M durch Ausscheiden der Nässe (H2O usw.) für
herkömmliche keimfreie Verpackungs-Systeme bereitzustellen, wie es bei desinfizierenden Systemen in
gegenwärtiger Handhabung normalerweise verwendet wird.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Oberfläcbsnsterilisätion von
Stoffen, gekennzeichnet durch:
a) Einrichtungen zur Erzeugung eines gepulsten Elektronenstrahlbündels (1V) einer Energie von
50 bis 200 keV, bestehend aus einem Kondensatorsystem (1) und einem dieses auf eine
Gleichspannung von ±100 000 V aufladenden Transformatorsystem (2) hoher Reaktanz, sowie einem getriggerten Schalter (3) zur
Erzeugung von Impulsen von Mikrosekunden- und kürzerer; vorzugsweise von 60 ns Dauer;
b) eine gashaltige Bestrahlungszone (4), die so angeordnet ist, daß sie dieses Elektronenstrahlbündel (4') empfangen kann, und die mit einer
Fördereinrichtung (8) ausgerüstet ist, um die aufekkinderfolgenden Artikel (7) durch die
Zone (4) zur darin erfolgenden Bestrahlung hindurchzubewegen und
c) eine Einrichtung (9), die entlang der Bewegungsrichtung der Artikel durch diese Zone zur
Abschirmung solcher Röntgenstrahlen angeordnet ist, die erzeugtwerden könnten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (2^ vorgesehen ist,
um die Zone (4) im wesentlichen steril zu halten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai5 die Einrichtungen (1,2) zur Erzeugung
eines Elektronensti^hlbüne^Is (4') eine Vielzahl
aufeinanderfolgender Elektronenröhre und entsprechende Fenster (6) umfassen, ft i so angeordnet sind,
daß die aufeinanderfolgenden Bereiche der Zone (4) entlang der Bewegungsrichtung der Artikel (7)
bestrahlbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (S) für ein aufeinanderfolgendes impnlsweises Ausstrahlen der aufeinanderfolgenden Elektronenrohre vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (B) zum Bestrahlen der
Fülleinrichtungen (3',. 9') während des Füllens mit einem Elektronenstrahlböndel (4').
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (B) koaxial um die
Fülleinrichtungen (3', 9') angeordnet ist.
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