DE2346460A1

DE2346460A1 - Verfahren zur abtoetung von mikroorganismen im inneren eines behaelters

Info

Publication number: DE2346460A1
Application number: DE19732346460
Authority: DE
Inventors: Lowell George Tensmeyer
Original assignee: Eli Lilly and Co
Current assignee: Eli Lilly and Co
Priority date: 1972-09-19
Filing date: 1973-09-14
Publication date: 1974-04-11
Also published as: GB1426004A; DE2346460C2; IE38580B1; JPS5722587B2; IL43163A; NL7312938A; FR2200021A1; FR2200021B1; BE804961A; IL43163A0; CH582603A5; IE38580L; JPS4970493A; IT1000078B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines Behälterinhalta durch Abtöten von Mikroorganismen im Inneren des Behälters und ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines fokussierten, ultrakurz-gepulsten Laserstrahls im Inneren des Behälters eine Funkenbildung oder Funkenentwicklung erzeugt wird.

Eine Abtötung von Mikroorganismen, die bei vollständiger Durchführung eine Sterilisierung darstellt, wurde bei Behältern, in die Substanzen, wie parenterale Medikamente, Nahrungsmittel, Getränke, Molkereiprodukte und ähnliches eingefüllt werden, seit Jahrzehnten praktisch durchgeführt, um eine Übertragung von Krankheiten zu verhindern. Zu diesem Zwecke wurden bereits viele verschiedene Verfahren entwickelt. Über

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eine lange Zeit erwies sich eine £rhitzung_;sowohl eine trockene als auch eine feuchte als ein vielgebrauchtes Verfahren zur Abtötung von Mikroorganismen in Nahrungsmitteln, Getränken,sowie auf dem Gebiet der Pharmazie. Auch eine Verwendung von Chemikalien, wie Formaldehyd, Phenol, Äthanol, ■ Ä'thylenoxyd und ähnliche, erwies sich zur Abtötung von Mikroorganismen bei vielen Anwendungsarten als geeignet. In neuerer Zeit wurde zur Abtötung von Mikroorganismen bei speziellen Anwendungsgebieten auch Strahlen verwendet, wie ß-Strahlen, J'-Strahlen und UV-Strahlen.

In der US-PS 3 383 163 wird schließlich ein Verfahren zur Sterilisierung der Oberfläche eines Materials beschrieben, das keine Elektrizität betrifft und bei dem eine derartige Oberfläche mit einem gasförmigen Plasma bei extrem hohen Temperaturen in Berührung gebracht wird. Bei diesem Verfahren wurde eine Corona-Entladung zur Erzeugung eines Plasmas im Inneren eines Behälters verwendet. Die Corona-Entladung wurde durch Einführung einer geerdeten Elektrode in den Behälter erzeugt, sowie durch Umgeben des Behälters mit

einer Spule, wobei diese Spule impulsartig mit Spannungen von ungefähr 5000 bis ungefähr 7000 Volt und daruberliegenden Spannungen beaufschlagt wurde. Es wird hierbei beschrieben, wie die Oberfläche einem Plasma für eine sehr kurze Zeitdauer, die normalerweise nicht länger ist als ein Zehntel einer Sekunde, beaufschlagt wird.

Seit Veröffentlichung des US-Patents 3 383 163 wurden viele Versuche unternommen, um das Plasma-Sterilisierungsverfahren zu einem wirtschaftlich tragbaren Verfahren zu entwickeln, da dieses Verfahren den Vorteil aufweist, daß es mit ihm möglich ist, die Mikroorganismen im Inneren eines Behälters unmittelbar vor dessen Füllung abzutöten..Es zeigte sich jedoch, daß die mechanischen Schwierigkeiten, die sich mit. der Einführung einer geerdeten Elektrode in einen Behälter

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mit einem gleichzeitigen Umgeben des Behälters mit einer Hochspannungsspule ergaben, derart groß war, daß.sie eine praktische Anwendung der Erfindung unmöglich machten. Darüber hinaus hängt das Volumen des durch die Corona-Entladung erzeugten Plasmas von der Ausbildung und der Abschirmung der Elektrodenspitze ab, der Wicklung der Hochspannungsspule und der Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und der Spule zum Zeitpunkt der impulsartigen Entladung. Diese Erfordernisse werfen weitere Probleme auf im Hinblick auf eine Anordnung der Elektrode und der Spule, welche ein Ausfüllen der Behälters mit dem Plasma gewährleisten. Des weiteren ist die Spannung, welche man für das Ingangsetzen der Corona-Entladung benötigt, ganz erheblich, wobei hierzu speziell ausgebildete elektrische Schaltkreise benötigt werden.

Erfindungsgemäß wird der fokussierte, ultrakurzgepulste Laserstrahl dadurch erhalten, daß man einen Laserstrahl in einem Riesenimpuls-Betrieb oder in einem Schwingungszustands- oder Moden-Arretierbetrieb (mode-locking) verwendet, wobei jeder Impuls eine Dauer von ungefähr 1/10 bis 300 nsec. aufweist. Die mechanischen Einzelheiten sowie die Verfahren für eine Verwendung von Laserstrahlen im Riesenimpuls-Betrieb sowie im Moden-Arretierbetrieb, welche zur Erzeugung ge ulster Strahlen mit ultrakurzer Dauer dienen, sind alt und in Fachkreisen bekannt, so daß sie als solche keinen Teil der Erfindung -bilden.

Auch die mechanischen Einzelheiten sowie die Verfahren für die Erzeugung eines Funken durch Fokussierung eines ultrakurzgepulsten Laserstrahls in einem Brennpunkt, an dem sich die Strahlen des Laserbündels schneiden, sind als solche in Fachkreisen bekannt. Der jeweiligen Wellenlänge angepaßte Optiken werden für die Fokussierung der ultrakurzgepulsten Laserstrahlen verwendet. Der Brennpunkt des Strahlenbündels der ultrakurzgepulsten Laserstrahlen

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muß ausreichend kurz sein, damit die Erzeugung eines Funken bei ,jedem Impuls sichergestellt ist. Die Lage eines derartigen Brennpunkts ist eine Funktion der Energie in dem Strahlenbündel. Es besteht eine direkte Beziehung zwischen der Energie im Strahlenbündel und der maximalen Entfernung des Brennpunkts, bei der in jedem Falle ohne Ausnahme bei jedem Impuls ein Funken erzeugt wird. Die maximale Brennweite kann durch Steigerung der Energie des Strahlenbündels vergrößert werden.

Die vorliegende Erfindung hängt nicht von der Energie in dem Strahlenbündel ab, sondern vielmehr von der Erzeugung eines Funken im Brennpunkt. Jeder ultrakurzgepulsten Laserstrahl, der in seinem Brennpunkt Funken erzeugt, erweist sich zur Abtötung von Mikroorganismen im Inneren eines Behälters bei wiederholter Funkenbildung als geeignet, wenn der Brennpunkt im Innenraum des Behälters liegt. Es versteht sich, daß es Aufgabe der Mechanik einer Einrichtung ist, in der das Innere von Behältern sterilisiert wird, die Einstellung der zur Fokussierung des ultrakurz-gepulsten Laserstrahls verwendeten Optiken mit der Energie des Strahlenbündels zu koordinieren, welche einen Funken an dem Brennpunkt des Strahlenbündels im Inneren des Behälters hervorruft.

Es ist möglich, einen Laserstrahl durch ein optisch durchsichtiges Material hindurch zu fokussieren, wenn dieses Material nicht zu einer merkbaren Verzerrung des konvergierenden Strahlenbündels führt. Es ist damit möglich, die Abtötung von Mikroorganismen im Inneren eines Behälters, der keine öffnung aufweist, dadurch vorzunehmen, daß man einen Laserstrahl durch das Material des Behälters hindurch fokussiert, wenn dieses Material die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt. Eine größere Anzahl von Behältern, in denen eine Abtötung von Mikroorganismen durch das nützliche erfindungsgemäße Verfahren vorgenommen werden soll, besteht jedoch aus Materialien, welche die obigen Bedingungen nicht

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erfüllen. Es ist daher vorzuziehen, wenn die Behälter, bei denen eine Abtötung der Mikroorganismen durch das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden soll, öffnungen aufweisen und daß der ultrakurzgepulste Laserstrahl durch eine derartige öffnung fokussiert wird.

Die Größe einer derartigen öffnung von einem Behälter muß daher bei der Festlegung eines Strahlenbündels und dessen Fokussierung berücksichtigt werden, da eine teilweise Verzerrung der konvergierenden Seiten des fokussierten Strahlenbündels durch eine Berührung mit dem Behältermaterial das Strahlenbündel beeinträchtigen und damit seine Funkenbildung unterbrechen kann.

Man ist allgemein der Auffassung, daß der Funken eines fokussierten ultrekurzgepulsten Laserbündels ein "Plasma" ist. Bei der Erfindung wird mit der Bezeichnung "Plasma" ein stark oder wesentlich vollständig ionisierter Gaskörper verstanden, der aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen zusammengesetzt ist und bei einer extrem hohen Temperatur besteht, welche möglicherweise nahe an die Sonnentemperatur herankommt. Der Anstieg des Funken von einem fokussierten ultrakurz-gepulsten Laserstrahl ist von ausgesprochen kurzer Dauer und liegt in der Nachbarschaft von ungefähr 5 nsec. bis ungefähr 5 Mikrosec.

Der genaue Mechanismus, durch den der Funken eines fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahles die Abtötung der Mikroorganismen im Inneren eines Behälters bewirkt, in dem der Funken auftritt, ist nicht bekannt. Man weiß jedoch, daß es nicht notwendig ist, die Innenflächen des Behälters in direkte Berührung mix; dem Funken zu bringen.

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Als Ergebnis der Ionisierung des im Inneren des Behälters befindlichen Gases durch den fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahlfunken erhält man ein Plasma, das von vielen ionisierbaren Gasen gebildet werden kann. Die aus Stickstoff und Sauerstoff gebildete Luft bildet ein derartiges Plasma. Andere ionisierbare zweiatomige Gase, wie die Halogene, bilden jedoch auch ein Plasma. Die bevorzugten Gase für die Plasmabildung sind einatomige Gase, wie Argon, Helium, Xenon, Neon usw. Unabhängig von dem verwendeten Gas wird jedoch durch die Bildung eines Funken von einem fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl im Inneren des Gaskörpers ein Plasma gebildet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein einatomiges Gas in den Behälter eingebracht, in dem Mikroorganismen abgetötet werden sollen, bevor die Erzeugung des Plasmas in dem Behälter erfolgt. Die einatomigen Gase, sind leichter zu ionisieren als Sauerstoff oder Stickstoff. Dementsprechend benötigt man weniger Energie für die Erzeugung des Plasmas. Bei einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsfoma wird Argon in den Behälter eingeführt, bevor das Plasma hierin gebildet wird, da dieses Gas in großen Mengen vorhanden und preiswert ist und da der Rückstand desselben auf neutrales Argon beschränkt ist.

- Es ist auch eine Plasmabildung in ionisierbaren Gasen möglich, wenn der Druck im Inneren des Behälters, in dem der fokussierte ultrakurzgepulste Laserfunken erzeugt wird, ein anderer Druck als Atmosphärendruck ist. Der Druck kann entweder über oder unter Atmosphärendruck liegen. Auch in diesem Falle führt die Erzeugung eines fokussierten ultrakurzgepulsten Lanerstrahlfunken, unabhängig von dem Druck des ioninierbaren Gases, zu einem Plasma, das seinerseits wieder wirksam im Abtöten der Mikroorganismen im Inneren des Behälters ist, wenn dort ein derartiger Funken erzeugt wird.

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Der Schlüssel für die Abtötung von Mikroorganismen im Inneren eines Behälters durch eine Funkenbildung mittels eines fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahles im Inneren desselben beruht in der aufsummierten Dauer des Funken und in der integrierten Intensität desselben von einem fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl. Die Dauer eines einzelnen ultrakurzgepulsten Laserstrahls liegt, wie oben bereits erwähnt wurde, zwischen ungefähr 1/10 und ungefähr 300 nsec. Der durch die Fokussierung dieses Strahlenbündels gebildete Funke hat eine Lebensdauer von ungefähr 5 nsec. bis ui^efähr 5 Mikrosec. Die notwendige Gesamtdauer eines Funkens, die man zur Abtötung von Mikroorganismen im Inneren eines Behälters benötigt, in dem dieser Funken durch einen fokussierten ultrakurzgepul3ten Laserstrahl erzeugt wird, hängt von der Oberfläche dea Behälters und den abzutötenden Mikroorganismen ab. Das elektrische Leitverhalten des Materials, aus dem der Behälter gefertigt ist, spielt jedoch keine Rolle, da das Plasma durch Kräfte erzeugt wird, welche vollständig innerhalb der Grenzflächen des Behälters liegen. Es werden daher keine außerhalb liegenden Elemente benötigt. Somit ist es möglich, Mikroorganismen im Inneren eines Metallbehälters ebenso rasch und wirkungsvoll abzutöten, wie bei Glas-, Keramikoder Kunststoffkörpern. Im allgemeinen reicht ein einzelner Funken nicht aus, um einen bemerkenswerten Anteil der Mikroorganismen abzutöten. Eine mehrfache Wiederholung von Funken bewirkt jedoch die Abtötung von Mikroorganismen. Es zeigte sich, daß bereits eine so geringe Anzshl wie 100 Funken eine ausreichende Gesamtlebensdauer des Plcietnas bilden, so daß die Lebensfähigkeit der Mikroorganismen im Inneren eines Behälters, in dem ein Funken mittels eines fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahls erzeugt wird, erheblich geändert wird.

Die Wirkung der wiederholten Funkenbildung durch einen fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl ist kumulativ. Wenn zwischen ungefähr 100 und ungefähr 10 000 aufeinander-

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folgende foku3sierte ultrakurzgepulste Laserstrahlen zu einer Funkenbildung im Inneren eines Behälters führen, wird eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen im Inneren des Behälters erreicht. Eine Funkenzahl von 100 bis 10 000 entspricht einer aufsummierten Gesamtdauer für die Lebenszeit des Plasmas von ungefähr 1 Mikrosec. bis ungefähr 50 Millieec.

Da die Temperatur des Plasmas, das durch die Funkenbildung von dem fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl erzeugt wird, momentan nahe der Sonnentemperatur liegt, wird vorzugsweise die aufsummierte Gesamtdauer für die Lebenszeit des Plasmas bei dem minimalen Wert gehalten, der für eine Gesamtabtötung der Mikroorganismen im Inneren des Behälters ausreicht. Da die Funkenbildung des fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahls mit einem Überschallknall vergleichbar ist, ist es unbedingt notwendig, daß der Brennpunkt des ultrakurzgepulsten Laserstrahls in einem ausreichenden Abstand von jeglicher Stelle oder jeglichem Teil der Innenfläche des Behälters liegt, um eine Berührung dieser Behälterinnenfläche mit dem Plasma zu vermeiden.

Typische Arten von Behältern, in denen die darin befindlichen Mikroorganismen durch eine Funkenbildung mittels eines fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahles in Inneren derselben abgetötet· werden können, sind Ampullen und Violen, wie sie- für parenterale Medikationen verwendet werden, Getränkeflaschen und Büchsen, wie sie für alkoholfreie Getränke, für Bier, Orangen- und Zitronensaftkonzentrate und ähnliches verwendet werden, Milchflaschen und Kartons, Gläser und Flaschen für Kindernahrung sowie Behälter für Büchsennahrung und ähnliches.

Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

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Beispiel

Der folgende Versuch wurde durchgeführt, um den Einfluß einer wiederholten Funkenbildung durch einen fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl im Inneren eines Behälters auf die Bakterienzahl im Behälter festzustellen.

45 10 ml-Violen mit einer Halsöffnung von 1,27 cm (0,5 inch) wurden jeweils mit 0,1 ml einer Suspension von Bacillus subtilis mit einer Konzentration von 1000 Sporen/ml geimpft. Der Bacillus subtilis war in Wasser suspendiert. Nach der Impfung wurde jede Viole herumgeschwenkt, um die Lösung des Bacillus subtilis gleichmäßig auf die innere Fläche bis zu der Schulter der Violen hinauf zu verteilen. Anschließend wurden die Violen bei ungefähr 35°C bei einer Dauer von 24 Stunden getrocknet.

Nach dem Trocknen wurden die geimpften Violen in 9 Gruppen von jeweils 5 unterteilt. Ein fokussierter ultrakurzgepuleter Laserstrahl, der einen Funken mit einer Dauer von ungefähr 15 nsec. erzeugte, wurde wiederholt in das Innere von 4 der 5 Violen in jeder Gruppe gerichtet. Die Zahl der wiederholt durchgeführten Funkenbildungen wurde von Gruppe zu Gruppe variiert. Die 5. Viole jeder Gruppe wurde zu Kontrollzwecken verwendet. Die Zahl der Funkenbildungen variierte von"5 bis 1600, wobei jede der vier Violen in jeder Gruppe der gleichen Funkenanzahl ausgesetzt war.

Nachdem die Violen der Funkenbildung des fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahles- ausgesetzt waren, wurden 5 ml Wasser jeder Viole zugesetzt. Anschließend wurden die Violen geschüttelt und geschwenkt, um die Auflösung der verbleibenden Bacillus subtiUs-Sporen im Wasser zu fördern. Anschließend wurde aliquoter Teil von 1,0 ml von jeder Viole entnommen und in eine Petri-Schale eingebracht. Ungefähr 15 ml

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eines Soyabohnen-Casein-Aufschluß-Agars wurden jeder Petrischale zugegeben, und es erfolgte ein Herumschwenken der Schale, mn eine Mischung der Probe und des Agars zu bewirken. Die so präparierten Petri-Schalen wurden bei 35°C über eine Dauer von 48 Stunden ir.cubiert und eine Bakterienzählung mit jeder vorgenommen. Tabelle I zeigt die lebensfähigen Organismen pro Viole, welche durch eine Multiplikation mit einem Faktor fünf der Bakterienzahl von jeder Petri-Schale berechnet wurde, um dem Umstand Rechnung zu tragen, daß als Pi⁴Obe jeweils ein Aliquot von 1 zu.-5 entnommen war. Die Werte zeigen, daß die Wirkung einer Funkenbildung durch einen fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl im Innen der Violen zu einer Verminderung der lebensfähigen Organismen führt. Mit zunehmender Anzahl der wiederholten Funkenbildungen nimmt die Anzahl der verbleibenden lebensfähigen Bacillus subtilis-Organismen ab.

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Tabelle I

Wirkung einer wiederholten Funkenbildung von einem fokussierten ultrakurzgepulsten
Laserstrahl im Inneren einer 10 ml-Viole bei einer Impfung mit Bacillus subtilis-Organismen und einer jeweiligen Funkendauer von ungefähr 15 nsec.

In Luft

	Viole Nr.	Zahl der wiederhol	Gesamtbe-	Anzahl der in der	Mittelwert der
		ten Funkenbildungen	lichtungs-	Viole nach der	lebensfähigen
		des fokussierten	zeit in	Belichtung ver	Bacillus subtilis-
		ultrakurzgepulsten	Mikrosec.	bleibenden lebens	Organismen pro
		Laserstrahls		fähigen Bacillus	Gruppe der
O				subtilis-Organismen	vier Violen
co
OO	1	5	0,075	300
—'	2	5	0,075	125
cn	3	5	0,075	150	195
	4	5	0,075	200
O	5	keine	keine	200
	6	10 .	0,150	40
CaJ	7	10	0,150	60
	8	10	0,150	60	60
	9	10	0,150	60
	10	keine	keine	80
	11	20 ·	0,3	75
	12	20	0,3	60
	13	20	0,3	100	66
	14	20	0,3	20
	15	keine	keine	80
	16	40	0,6	60
	17	40	0,6	40
	18	40	0,6	100	66
	19	40	0,6	60
	20	keine	keine	75

Tabelle I (Fortsetzung)

	Viole Nr.	Zahl der wiederhol	100	Gesamtbe	Anzahl der in der	Mittelwert der
		ten Funkenbildungen	100	lichtungs	Viole nach der	lebensfähigen
		des fokussierten	100	zeit in	Belichtung ver	Bacillus subtilis-
		ultrakurzgepulsten	100	Mikrosec.	bleibenden lebens	Organismen pro
		Laserstrahls	keine		fähigen Bacillus	Gruppe der
		I	200		subtilis-Organismen	vier Violen
	21	200	1,5	60
	22	200	1,5	20
O	KVt OJOJ	200	1,5	35	31
co	25	keine.	1,5	15
00	26	400	keine	25
cn	27	400	3,0	30
	28	400	3,0	80
	29	400	3,0	60	45
O	30	keine;	3,0	10
co	31	800	keine	90
	32	800	6,0	25
	33	800	6,0	25
	34	800 ,	6,0	10	15
	35	keine	6,0	10
	36	1600	keine	90
	37	1600	12,0	20
	38	1600	12,0	10
	39	1600	12,0	0	9
	40	keine	12,0	5
	41	keine	70
	42	24,0	0
	43	24,0	15
	44	24,0	5	6
	45	24
	keine	60

CO -P-CD -P-CO O

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Reinigung eines Behälterinhalts durch Abtötung von Mikroorganismen im Inneren des Behälters, gekennzeichnet durch eine wiederholte Funkenbildung durch einen fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl im Inneren des Behälters.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahls ausreichend kurz ist, um die Erzeugung eines Funken an dem Konvergenzpunkt des Strahlenbündels (Brennpunkt)des fokussierten Laserstrahls zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ultrakurzgepulste Laserstrahl eine Dauer aufweist, die zwischen ungefähr 1/10 bis ungefähr 300 nsec. reicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Funken, der von jedem fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl erzeugt ist, eine Dauer von ungefähr 5 nsec. bis ungefähr 5 Mikrosec. aufweist.

5· Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Behälters einer Anzahl von zwischen ungefähr 100 und ungefähr 10 000 aufeinanderfolgenden fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahlen ausgesetzt wird, wobei jeder dieser Impulse einen Funken erzeugt.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufsummierte Gesamtzeit, über die das Innere des Behälters den von dem fokussierten ultrakursgepulsten Laserstrahl erzeugten Funken ausgesetzt ist, zwischen ungefähr 1 Mikrosec. und ungefähr 50 Millisec. liegt.

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7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein einatomiges Gas zuerst in die Behälter eingeführt wird.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Öffnung aufweist und daß der Laserstrahl durch diese Öffnung des Behälters fokussiert wird.

9. Behälter, gekennzeichnet durch eine Reinigung nach den Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ö.

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