DE2346460C2 - Verfahren zur Reinigung eines Behälterinhalts durch Abtötung von Mikroorganismen mit Laserstrahlung im Inneren des Behälters - Google Patents
Verfahren zur Reinigung eines Behälterinhalts durch Abtötung von Mikroorganismen mit Laserstrahlung im Inneren des BehältersInfo
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Description
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 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 tei!«;eise 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 ultrakurzgepuls<.2n 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 zusa...mengesetzt ist und bei einer extrem
hohen Temperatur besteht, we',he möglicherweise nahe an die Sonnentemp"ratur herankommt. Der
Anstieg des Funken von einem fokr vierten ulrtakurzgepulsten
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 mit dem Funken zu bringen.
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 Erfin dung 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. Dementspre*
chend benötigt man weniger Energie für die Erzeugung des Plasmas. Bei einer besonders bevorzugten Ausfüh-
rungsform wird Argon in den Behälter eingeführt, bevor
das Plasma hierin gebilcet 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 Fal'e führt
die Erzeugung eines fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahlfunkens, unabhängig von dem Druck des
ionisierbaren Gases, zu einem Plasma, das seinerseits wieder wirksam im Abtöten der Mikroorganismen im
Inneren des Behälters ist, wenn dort ein derartiger Funken erzeugt wird.
Der Schlüssel für die Abtötung von Mikroorganismen im Inneren eines Behälters durch eine Funkenbildung
mittels eines fokussierenden ultrakurzgepulsten Laserstrahles im Inneren desselben beruht in der aufsummierten
Dauer des Funkens und in der integrierten Intensität desselben von einem fokussierten ultrakurzgepulsten
Laserstrahl. Die Dauer eines einzelnen uitrakurzgepui· sten Laserstrahls i'egt, wie oben bereits erwähnt wurde,
zwischen ungefähr '/io und ungefähr 300 nsec. Der durch die Fokussierung dieses Strahlenbündel gebildete
Funke hat eine Lebensdauer von ungefähr 5 nsec bis ungefähr 5 Mikrosf. Die notwendige Gesamtdauer
eines Funkens, die man zur Abtötung von Mikroorganismen im Inneren eines Behälters benötigt, in dem dieser
Funken durch einen fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl erzeug: wird, hängt von der Oberfläche des
Behälters und den abzutötenden Mikroorganismen ab. Das elektrische Lei'.verhalten 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 werfen daher keine außerhalb liegenden
Elemente benotigt. Somit ist es möglich, Mikroorganis
men im Inneren eines Metallbehälter ebenso rasch und
wirkungsvoll abzutöten, wie üei Glas . Keramik- oder 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 Anzahl wie 100 Funken eine ausreichende Gesamtlebensdauer des Plasmas 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 durtr ei.:en fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl ist
kumulativ. Wenn zwischen ungefähr 100 und ungefähr 10 000 aufeinanderfolgende fokussierte uitrakurzgepui
ste Laserstrahlen zu einer Funkenbildung im Innerer, eines Behälters führen, wird eine vollständige Abtötung
der Mikroorganismen im Inneren des Behälters erreicht Eine Funkenzahl von 100 bis 10 000 entspricht einer
aufsummierien Gesamtdauer für die Lebenszeit de. Plasmas von ungefähr 1 Mikrosec bis ungefähr 50
Millisec.
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 fur 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 Austand 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 im 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.
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-mI-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 untersucht Ein fokussierter
ultrakurzgepulster Laserstrahl, der einen Funken mit einer Dauer von ungefähr 15nsec erzeugte, wurde
wiederholt in das Innere von 4 oder 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 Funkenbildüngen
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 subtilis-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 eines Sojabr'.nen-Casein-Aufschluß-Agars
wurden jeder Petri-Schule zugegeben, und es
erfolgte ein Herumschwenken der Schale, um eine Mischung der Probe und des Agars zu bewirken. Die so
präparierten Petri-Schalen wurden bei 35° C über eine Dr„uer von 48 Stunden incubiert und eine Bakterienzählung
mit jeder vorgenommen. Tabelle 1 zeigt die lebensfähigen Organismen pro Viole, welche durch eine
Multiplikation mit einem Faktor fünf der Bakterienzahl von jeder Petri-Schale berechrst wurde, um dem
Umstand Rechnung zu tragen, daß als Probe jeweils ein Aliquot von 1 zu 5 entnommen war. Die Werte zeigen,
daß die Wirkung einer Funkenbildung durch einen fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl im Innern
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.
Wirkung einer wiederholten Funkenbildung von einem fokussierten ultrakurzgepulsten
Laserstrahl im Inneren einer 10-ml-Viole bei einer Impfung mit Bacillus subtilis-Organis.men
und einer jeweiligen Funkendauer von ungefähr 15 nsec.
In Luft
Viole | Zahl der wieder | üesamt- | An/ahl der in der | Mittelwert der |
Nr. | holten Funkenbil | belichtungszeit | Viole nach der | lebensfähigen |
dungen des fokus | in Mikrosec. | Belichtung verblei | Bacillus subti | |
sierten ultrakur/- | benden lebens | lis-Organismen | ||
gepulsten Laser | fähigen Bacillus | pro Gruppe der | ||
strahls | subtilis-Organismen | vier Violen | ||
1 | 5 | 0.075 | 300 | |
2 | 5 | 0.07S | 125 | |
3 | 5 | 0,075 | 150 | 195 |
4 | 5 | 0.075 | 200 | |
S | keine | keine | 20(1 | |
6 | 10 | 0,150 | 40 | |
7 | 10 | 0,150 | 60 | |
8 | 10 | 0,150 | 60 | 60 |
9 | 10 | 0,150 | 60 | |
10 | keine | keine | 80 |
7 | 23 46 | 460 | cc: | . | 9 | Π | |
I oitscl/unt! | j | j | |||||
ViI)Ic
Nr |
/ahl der wieder
holten Funkenbil dungen des lokus- sicrlcn ullrakur/- gcpulslcn Laser strahls |
Ciesanil-
bclicnlungs/ci in Mikrnsct |
■\n/alil der in der
VmIe nach der liclichlunu verblei benden lehens- nihigcn liacillus suhtilis-Organismcn |
Millclwerl der , ]
lebensfähigen j Uaeiilus suhlt- j lis-Orgiinisnien & pro Gruppe der ; vier Violen j |
|||
11 | 20 | 0,3 | 75 | ί | |||
12 | 20 | 0.3 | 60 | 6 I | |||
13 | 20 | 0.3 | 100 | 66 | I | ||
14 | 20 | 0.3 | 20 | ||||
15 | keine | keine | 80 | »0225/123 i | |||
16 | 40 | 0,6 | 60 | ||||
17 | 40 | 0.6 | 40 | ||||
18 | 40 | 0.6 | 100 | 66 I | |||
19 | 40 | 0.6 | 60 | ||||
20 | keine | keine | 75 | ||||
21 | 100 | 1.5 | 60 | ||||
22 | 100 | 1.5 | 20 | ||||
23 | 100 | 1.5 | 35 | 31 | |||
24 | 100 | 1,5 | 15 | ||||
25 | keine | keine | 25 | ||||
26 | 200 | 3.0 | 30 | ||||
27 | 200 | 3.0 | 80 | ||||
28 | 200 | 3,0 | 60 | 45 | |||
29 | 200 | 3.0 | 10 | ||||
30 | keine | keine | 90 | ||||
31 | 400 | 6.0 | 25 | ||||
32 | 400 | 6.0 | 25 | ||||
33 | 400 | 6.0 | 10 | 15 | |||
34 | 400 | 6,0 | 10 | ||||
35 | keine | keine | 90 | ||||
36 | 800 | 12,0 | 20 | ||||
37 | 800 | 12,0 | 10 | ||||
38 | 800 | 12,0 | 0 | ||||
39 | 800 | 12,0 | 5 | ||||
40 | keine | keine | 70 | ||||
41 | 1600 | 24,0 | 0 | ||||
42 | 1600 | 24,0 | 15 | ||||
43 | 1600 | 24,0 | 5 | ||||
44 | 1600 | 24 | 5 | ||||
45 | keine | keine | 60 | ||||
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Reinigung eines Behälterinhalts durch Abtötung von Mikroorganismen mit Laserstrahlung im Inneren des Behälters, gekennzeichnet durch eine wiederholte Funkenbildung durch einen fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl im Inneren des Behälters, wobei der Brennpunkt des ultrakurzgepulsten Laserstrahls in einem ausreichenden Abstand von jeglichem Teil der Innenfläche des Behälters liegt und die aufsummierte Gesamtzeit, über die das Innere des Behälters den von dem fokussierten ultrakurzgepulsten Laserstrahl erzeugten Funken ausgesetzt ist. zwischen 1 Mikrosec. und 50 Millisec liegt.Eine Abtötung von Mikroorganismen, die bei vollständiger Durchführung eine Sterilisierung darstellt, wird bei mit Substanzen, wie parenteralen Medikamenten, Nahrungsmitteln, Getränken oder Molkereiprodukten gefüllten Behältern, seit Jahrzehnten praktisch durchgeführt, um eine Übertragung von Krankheiten zu verhindern. Zu diesem Zweck gibt es bereits viele verschiedene Verfahren, die sich beispielsweise eines trockenen oder auch feuchten F.rhitzens oder einer Verwendung von Chemikalien, wie Formaldehyd. Phenol, Ethanol oder Ethylenoxid, bedienen In neuerer Zeit wird zur Abtötung von Mikroorganismen bei speziellen Anwendungsgebieten auch von der Anwendung von ^-Strahlen. y-Strahlen oder UV-Strahlen. ■C Gebrauch gemachtAus US-PS 33 83 163 ist ein Verfahren zur Sterilisie rung der Oberfläche eines elektrisch nicht leitenden Materials bekannt, indem eine solche Oberfläche mit einem gasförmigen Plasma bei extrem hohen Temperaturen in Berührung gebracht wird. Zur Erzeugung eines Plasmas im Inneren eines Behälters wird hierbei von einer Corona-Entladung Gebrauch gemacht, die durch Einführung einer geerdeten Elektrode in den Behälter und Umgeben des Behälters mit einer Spule erzeugt wird, welche impulsartig mit Spannungen von 5000 bis 7000 Volt und darüber beaufschlagt wird. Die Behandlung der Oberfläche mit dem Plasma dauert hierbei nicht langer als 0.1 Sekunden. Seit Veröffentlichung der obigen US-PS wurden viele Versuche unternommen, dieses Verfahren wirtschaftlich zu gestalten, zumal es den Vorteil aufweist, daß sich mit ihm Mikroorganismen im Inneren eines Behälters unmittelbar vor dessen Füllung abtöten lassen. Hierbei erweisen sich die mit der Einführung einer geerdeten Electrode in den Behälter und mit dem gleichzeitigen Umgeben des Behälters mit einer Hochspannungsspule verbundenen mechanischen Schwierigkeiten leider jedoch als nicht lösbar. Zudem ist hierbei das Volumen des durch die Corona-Entladung erzeugten Plasmas abhängig von der Ausbildung und der Abschirmung der Elektrodenspitze, der Wicklung der Hochspannungs spule und der Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und der Spule zum Zeitpunkt der impulsartigen Entladung, wodurch sich weitere Probleme ergeben. Schließlich ist auch die zum Ingangsetzen der Corona-Entladung benötigte Spannung ganz erheblich, so daß speziell ausgebildete elektrische Schaltkreise benötigt werden. Das Verfahren der obigen US-PS ist daher für eine praktische Anwendung zur Abtötung von Mikroorganismen im Inneren eines gefüllten Behälters nicht geeignet.Aus US-PS 34 05 045 und US-PS 34 58 140 sind bereits mittels Laserstrahlung arbeitende Vorrichtungen bekannt, die sich zur Sterilisation verschiedener Materialien und Gegenstände verwenden lassen. Hiermit können jedoch keine Behälterinhalte durch Abtönung der in ihrem Inneren befindlichen Mikroorganismen sauber gereinigt werden, ohne daß man sich hierzu noch zusätzlicher und ganz spezieller Maßnahmen bedient, wie sie darin weder beschrieben noch angedeutet werden.Die Reinigung eines Behälterinhalts bereitet obigen Ausfuhrungen zufolge somit immer noch Probleme, und Aufgabe der Erfindung ist daher di» Schaffung eines neuen Verfahrens hierzu, durch das sich im Inneren eines gefüllten Behälters befindliche Mikroorganismen in wirtschaftlich interessanter und techn: ,ch einfacher.μ Weise sauber abtöten lassen.Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß durch das aus dem Anspruch hervorgehende Verfahren gelöst.Erfindungsgemäß wird der fokussierte ultrakurzgepulste Laserstrahl dadurch erhalten, daß man einenr> Laserstrahl ,n einem Riesenimpuls-Betrieb oder in einem Schwmgungszustands- oder Moden-Arretierbetrieb verwendet, wobei jeder Impuls eine Dauer von ungefähr 0,1 bis 300 nsec aufweist. Die mechanischen Einzelheiten sowie die Verfahren zur Verwendung vonι» Laserstrahlen im Riesenimpuk-Betrieb sowie im Mo den-Arretierbetrieb. welche zur Erzeugung gepulster Strahlen mit ultrakur/cr Dauer dienen, sind alt und in Fachkreis ri bekanntAuch die mechanischen F.inzelheiten sow;e dieπ Verfahren für die Erzeugung eines Funkens 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 Opti-4n ken werden für die Fokussierung der ultrakurzgepulsten Laserstrahlen verwendet. Der Brennpunkt des Strahlenbündels der ultrakurzgepulsten Laserstrahlen muß ausreichend kurz sein, damit die Erzeugung eines Funkens bei jedem Impuls sichergestellt ist. Die Lage•is eines derartigen Brennpunkts ist eine Funktion der Energie in dem Strahlenbündel. Es besteht eine direkte Beziehung zwischen der Energie im Strahlenbündel und d<r maximalen Entfernung des Brennpunkts, bei der in jedem Falle ohne Ausnahme bei jedem Impuls einin Funken erzeugt wird Die maximale Brennweite kann durch Steigerung der Energie i.es Strahlenbündels vergrößert werden.Die vorliegende Erfindung hängt nicht von der Energie in iiem Strahlenbündel ab. sondern vielmehr von der Erzeugung eines Funkens im Brennpunkt. Jeder ultrakurzgepulste 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 ultrakurzgepulsten Laserstrahls verwendeten OptU ken 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
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