DE2346460C2

DE2346460C2 - Verfahren zur Reinigung eines Behälterinhalts durch Abtötung von Mikroorganismen mit Laserstrahlung im Inneren des Behälters

Info

Publication number: DE2346460C2
Application number: DE2346460A
Authority: DE
Inventors: Lowell George Indianapolis Ind. 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: 1982-06-24
Also published as: GB1426004A; IE38580B1; JPS5722587B2; IL43163A; NL7312938A; FR2200021A1; FR2200021B1; BE804961A; DE2346460A1; IL43163A0; CH582603A5; IE38580L; JPS4970493A; IT1000078B

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.

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-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.

Tabelle I

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

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 gemacht

Aus 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 einen

r> 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 von

ι» 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 bekannt

Auch die mechanischen F.inzelheiten sow;e die

π 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 ein

in 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