DE4437455A1 - Schockwellen-Sterilisator - Google Patents

Schockwellen-Sterilisator

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Hideo Matsuo
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Tsubakimoto Chain Co
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schockwellen-Sterilisator zum Sterilisieren fluider oder flüssiger Nahrungsmittel einschließlich verschiedener Säfte, Kaltgetränke, Milch, Yoghurt usw.
Ein Wärmesterilisationsverfahren sowie ein Hochdruck-Sterilisa­ tionsverfahren sind bekannte Möglichkeiten, um die oben genannten Nahrungsmit­ telarten zu sterilisieren. Beim Wärmesterilisationsverfahren werden die Nah­ rungsmittel durch Wärmezufuhr auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, so daß die Nahrungsmittel sterilisiert werden können. Beim Hochdruck-Sterilisations­ verfahren werden die Nahrungsmittel einem hohen Druck von Hunderten bis Tau­ senden von Atmosphären ausgesetzt, um sterilisiert zu werden.
Das Wärmesterilisationsverfahren führt jedoch aufgrund der Erhitzung zu einer Degeneration des Proteins in den Nahrungsmitteln. Darüber hinaus strö­ men durch Wärme sterilisierte Nahrungsmittel manchmal einen für die Wärmeste­ rilisation typischen Geruch aus. Andererseits ist eine herkömmliche Vorrichtung für das Hochdruck-Sterilisationsverfahren groß und ihre Sterilisationsleistung ist schlecht, da die Vorrichtung nicht dazu in der Lage ist, aufeinanderfolgende Steri­ lisationsvorgänge durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung soll solche Probleme lösen. Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen kostengünstigen Schockwel­ len-Sterilisator zu schaffen, der Nahrungsmittel unter Verwendung einer Schock­ welle wirksam sterilisiert.
Ein Schockwellen-Sterilisator gemäß der vorliegenden Erfindung ist da­ durch gekennzeichnet, daß er einen elastischen Behälter zur Aufnahme der Nah­ rungsmittel, eine Schockwellenquelle, die gegenüber dem elastischen Behälter angeordnet ist, sowie ein Druckübertragungsmedium aufweist, welches zwischen der Schockwellenquelle und dem elastischen Behälter angeordnet ist.
Eine von der Schockwellenquelle ausgesandte Schockwelle wird über das Druckübertragungsmedium auf den elastischen Behälter übertragen, wodurch zunächst die in dem Behälter befindlichen Nahrungsmittel der Schockwelle ausge­ setzt werden, und im Anschluß daran mit einer leichten zeitlichen Verzögerung die Nahrungsmittel einer Expansionswelle ausgesetzt werden. Wenn die Schockwelle und die Expansionswelle eingesetzt werden, führen Unterschiede in der Schock­ impedanz der Materialien, die eine Keimzelle bilden, zu Unterschieden in der Druckveränderung innerhalb der Zelle. Dies führt wiederum zu einer Nichtgleich­ gewichtskraft in der Zelle und resultiert darin, daß die Zelle zerstört und das Nah­ rungsmittel sterilisiert wird. Die zum Aussenden der Schockwelle benötigte Zeit beträgt nur ein paar hundert Mikrosekunden, so daß keine chemischen Verände­ rungen aufgrund hoher Temperaturen oder einer Druckveränderung, wie bei­ spielsweise eine Wärmedegeneration des Proteins oder ähnliches, auftreten. Folglich können die Nahrungsmittel bei einer normalen Temperatur sterilisiert wer­ den. Ferner ist eine zuverlässige Sterilisation möglich, ohne daß große und kom­ plexe Vorrichtungen benötigt würden.
Durch das Zuführen von Nahrungsmitteln in den elastischen Behälter über eine Zuführleitung und das Abführen behandelter Nahrungsmittel über eine Abführleitung ist darüber hinaus ein sukzessives bzw. (quasi-)kontinuierliches Sterilisieren der Nahrungsmittel möglich.
Darüber hinaus wird eine chargenweise Sterilisation ermöglicht, wenn der elastische Behälter so aufgebaut ist, daß die hierin enthaltenen Nahrungsmittel in ihm dichtend eingeschlossen werden können.
Die oben genannten sowie weitere Aufgaben und Merkmale der Erfin­ dung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung verständlicher. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische, vertikale Querschnittsansicht, die den Auf­ bau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht von Fig. 1 entlang der Li­ nie II-II;
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß einem dritten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 5 eine schematische, vertikale Querschnittsansicht, die den Auf­ bau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevor­ zugten Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die zugehörigen Zeichnun­ gen Bezug genommen wird.
Ausführungsbeispiel 1
Fig. 1 ist eine schematische, vertikale Querschnittsansicht, die den Auf­ bau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von Fig. 1 entlang der Linie II-II. In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Behälter, der die Form einer leeren, rechteckigen Schachtel oder eines Zy­ linders aufweist und aus einem stoßfesten Kunststoff oder dergleichen besteht.
Der Behälter umfaßt eine Halterung 2, ein Paar Elektroden 3a und 3b, Anschlüsse 4a und 4b, die an den Elektroden 3a bzw. 3b befestigt und zueinander ausgerich­ tet angeordnet sind, und einen dünnen Kupferdraht 5, der sich zwischen den An­ schlüssen 4a und 4b erstreckt. Weiterhin enthält der Behälter 1 ein Druckmedium, beispielsweise Wasser 6, das bis zu einer bestimmten Höhe eingefüllt ist, so daß die Halterung 2, der untere Abschnitt der Elektroden 3a und 3b, die Anschlüsse 4a und 4b sowie der dünne Kupferdraht 5 im Wasser 6 eingetaucht sind. Anstelle von Wasser 6 können wahlweise auch andere Arten von Flüssigkeiten verwendet wer­ den, die für Menschen unschädlich sind.
Die aus Metall oder synthetischem Kunstharz bestehende Halterung 2 ist ungefähr rechteckig. Auf der oberen Oberfläche der Halterung 2 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, eine ungefähr bogenförmige, insbesondere in etwa halbkreisförmige Aussparung 2a ausgebildet. In der Umfangswand dieser Aussparung 2a ist eine Vielzahl von kleinen Aussparungen 2b, die im Querschnitt jeweils ungefähr bogen­ förmig bzw. halbkreisförmig sind, in ungefähr gleichen Abständen derart aus­ gebildet, daß sie zur Achse der Aussparung 2a ungefähr parallel sind. Ein elasti­ scher Schlauch 7 wird so eingesetzt, daß ein Teil seiner Umgebungswand in jede bogenförmigen Aussparung 2b der Aussparung 2a eingelegt ist.
Der aus Gummi oder synthetischem Kunstharz 7 bestehende elastische Schlauch 7 ist an seinem einen Ende mit einer Nahrungsmittel-Zuführleitung 9 ver­ bunden, die nahe einem Endabschnitt der Halterung 2 angeordnet ist, und er ist an seinem anderen Ende mit einer Nahrungsmittel-Abführleitung 10 verbunden. Die Nahrungsmittel-Zuführleitung 9 weist ein Rückschlagventil und eine Pumpe auf und geht so durch den Behälter 1 hindurch, daß sie an ihrem anderen Ende mit einem Tank für unbehandelte Nahrungsmittel verbunden ist, der zur Aufnahme un­ behandelter fluider Nahrungsmittel dient. Die Nahrungsmittel-Abführleitung 10 ist ebenfalls mit einem Rückschlagventil versehen und geht so durch den Behälter 1 hindurch, daß sie an ihrem anderen Ende mit einem Tank für behandelte Nah­ rungsmittel verbunden ist, der zur Aufnahme behandelter fluider Nahrungsmittel dient. Fluide Nahrungsmittel, die vom Tank für unbehandelte Nahrungsmittel über die Nahrungsmittel-Zuführleitung 9 in die elastischen Schläuche 7 im Behälter 1 transportiert werden, werden innerhalb der elastischen Schläuche 7 sterilisiert. Behandelte fluide Nahrungsmittel werden über die Nahrungsmittel-Abführleitung 10 aus den elastischen Schläuchen 7 in den Tank für behandelte Nahrungsmittel ausgestoßen.
Die Elektroden 3a und 3b bestehen aus einem leitenden Material, bei­ spielsweise Kupfer, und sie sind über Zuführungsdrähte A und B mit einer Gleich­ stromquelle verbunden. Zwischen den Zuführungsdrähten A und B ist ein Konden­ sator 8 angeordnet. Ein Schalter C ist am unteren Ende entweder des Zuführungs­ drahtes A oder des Zuführungsdrahtes B angebracht. In der Nähe der unteren En­ den der Elektroden 3a und 3b sind die Anschlüsse 4a und 4b angeordnet, die ebenfalls aus einem leitenden Material bestehen und eine Spannfunktion besitzen. Der dünne Kupferdraht 5 ist zwischen den Anschlüssen 4a und 4b gespannt, so daß er durch die Mitte der Wölbung der Aussparung 2a verläuft. Wenn sich der Kondensator 8 aufgrund des intermittierenden EIN/AUS-Schaltens des Schalters C intermittierend entlädt, fließt ein Strom von ungefähr 80 kJ durch den dünnen Kupferdraht 5. Wenn durch den dünnen Kupferdraht 5 ein Strom fließt, wird der dünne Kupferdraht 5 aufgrund der Jouleschen Wärme erwärmt und schließlich aufgrund Überhitzung verdampft. Aufgrund der Volumenexpansion des dünnen Kupferdrahtes 5 während der Verdampfung werden Schockwellen 11 erzeugt. Dies dauert ungefähr 30 Mikrosekunden ab dem Zeitpunkt, zu dem der Strom angelegt wurde. Nachdem der dünne Kupferdraht 5 verdampft wurde, wird ein Plasma er­ zeugt, durch das zwischen den Anschlüssen 4a und 4b ein elektrisches Potential geschaffen wird.
Die Schockwellen 11 werden in die Aussparung 2a der Halterung 2 und infolgedessen in die jeweiligen elastischen Schläuche 7 in der Aussparung 2a übertragen, wobei das Wasser 6, wie in der Fig. 2 gezeigt, als Übertragungsmedi­ um dient. Daher wird das fluide Nahrungsmittel, das sich in den elastischen Schläuchen 7 befindet, zunächst den Schockwellen ausgesetzt, und im Anschluß daran wird das Nahrungsmittel mit leichter zeitlicher Verzögerung den Expan­ sionswellen ausgesetzt. Wenn die Schockwellen und die Expansionswellen einge­ setzt werden, führen Unterschiede in der Schockimpedanz der Materialien, die ei­ ne Keimzelle bilden, zu Unterschieden in der Druckveränderung innerhalb der Zelle. Dies wiederum führt zu einer Nichtgleichgewichtskraft in der Zelle und resul­ tiert darin, daß die Zelle zerstört und das Nahrungsmittel sterilisiert wird. Die zum Aussenden der Schockwellen erforderliche Zeit beträgt nur ein paar hundert Mi­ krosekunden, so daß keine durch eine hohe Temperatur oder eine Druckverän­ derung bedingte chemische Veränderung stattfindet. Bei dem ersten Ausführungs­ beispiel wird die Sterilisation durchgeführt, während über die Nahrungsmittel- Zuführleitung 9 fluides Nahrungsmittel in die elastischen Schläuche 7 befördert und behandeltes Nahrungsmittel über die Nahrungsmittel-Abführleitung 10 ab­ transportiert wird. Dadurch wird problemlos eine sukzessive Sterilisation realisiert.
Nach Abschluß der Drahtexplosion wird ein neuer dünner Kupferdraht 5 von einem der Anschlüsse 4a oder 4b in Richtung des anderen Anschlusses ge­ schoben und von diesem festgehalten und die oben beschriebene Explosion wird dann erneut durchgeführt. Während von der Seite der Nahrungsmittel-Zuführlei­ tung 9 Nahrungsmittel mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit durch die elasti­ schen Schläuche 7 transportiert wird, kann das Nahrungsmittel daher einmal oder mehrmals den Schockwellen ausgesetzt werden.
Der Druck, der auf das fluide Nahrungsmittel ausgeübt wird, wurde auf der Grundlage der Geschwindigkeit der Schockwellen ermittelt, wobei die Ge­ schwindigkeit aufgrund von Fotos berechnet wurde, die intermittierend mit hoher Geschwindigkeit von einer Bildwandlerkamera aufgenommen wurden. Das heißt, daß die unter Wasser stattfindende Drahtexplosion von der Bildwandlerkamera aufgenommen und eine Geschwindigkeit uc an der Stoßfront berechnet wurde. Ent­ sprechend der Berechnung betrug die Geschwindigkeit uc 100 m/sec.
Aus diesem Wert wurde ein nach oben gerichteter Druck ΔP in Über­ einstimmung mit der folgenden Gleichung (1) berechnet.
ΔP = p₀Usuc
Us = ρ₁(Us - uc)/ρ₀
P₁ = (P₀ + B)(ρ₁/po)n (1),
wobei
Us: die Geschwindigkeit hinter der Schockwelle
uc: die Geschwindigkeit der Schockwelle
ρ₀: die Wasserdichte
ρ₁: die Dichte des Wassers hinter der Schockwelle
P₀: der Wasserdruck
P₁: der Wasserdruck hinter der Schockwelle
n: 7,415
B: 2,963×10⁸Pa
ist.
Als Ergebnis wurde bestätigt, daß der nach oben gerichtete Druck ΔP ungefähr 3000 Atmosphären betrug. (Theoretisch verringert sich die Geschwindig­ keit der Schockwellen aufgrund der Expansionswellen drastisch). Die Geschwin­ digkeitsabnahme war in der Praxis jedoch weniger drastisch als in der Theorie. Man geht davon aus, daß dies daran liegt, daß selbst nach Verdampfung des dün­ nen Kupferdrahtes 5 aufgrund der Entladung zwischen den Anschlüssen 4a und 4b weiterhin eine kontinuierliche Energiezufuhr existiert.
Experimentelles Beispiel
Als nächstes wird ein praktisches Ergebnis der Sterilisation bei elasti­ schen Schläuchen 7 beschrieben, die Mikroorganismen enthalten. Durch die Ent­ ladung von elektrischer Energie in Höhe von 8 kJ an einem dünnen Draht, der eine Dicke von 0,2 mm aufweist, wurden Schockwellen erzeugt. Die verwendete Halte­ rung 2 bestand aus einem weichen Polyethylen, dessen Eigenschaften der Schockimpedanz des Wassers 6 nahekommen. Dadurch soll der Behälter gegen Beschädigungen aufgrund von Interferenzen zwischen den Schockwellen ge­ schützt werden. Bei diesem Experiment wurde ein Spitzendruck von 1000 Atmo­ sphären erzeugt. Die in dem Experiment verwendete Hefe war Saccha romyces cerevisiae von einer Größe von ungefähr 5 bis 10 Mikrometer. Die Länge der ver­ wendeten Seewasser-Garnelen betrugt 0,5 mm. Die Hefe wurde in die elastischen Schläuche 7 transportiert, so daß die optische Dichte 0,3 betrug, und die Hefe wurde in einem Test einmal und in einem weiteren Test fünfmal dem Wellenstoß ausgesetzt. Jeder elastische Schlauch 7 enthielt einige 10 Seewasser-Garnelen, die dem Wellenstoß einmal ausgesetzt wurden.
Die Beobachtung durch einen Rasterelektronenmikroskop ergab, daß bei einer einmaligen Anwendung des Wellenstoßes 20% der Hefe abstarben. Auf der anderen Seite vernichtete die fünfmalige Anwendung des Wellenstoßes einen proportional größeren Prozentsatz der Hefe. Folglich wird davon ausgegangen, daß die durch den Wellenstoß verursachte Zerstörung gemäß einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auftritt. Was den Zerstörungszustand betrifft, so ist die Zerstö­ rung nicht wie ein bloßes (Auf-)Brechen einer Zellwand wie bei einem Sonikator, sondern eher wie ein Absplittern bzw. eine Spallation.
Durch ein optisches Mikroskop wurde beobachtet, daß die meisten Seewasser-Garnelen in kleine Stücke zerbrochen waren, nachdem man sie dem Wellenstoß ausgesetzt hatte.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß eine bis ein paar Anwendun­ gen des Wellenstoßes für eine Sterilisation ausreichen.
Was die bogenförmigen Aussparungen 2b betrifft, so kann es sich bei ihnen um gewundene Aussparungen handeln.
Ausführungsbeispiel 2
Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung zeigt. Die Fig. 3 entspricht der Fig. 2. Während es beim ersten Ausführungsbeispiel erforderlich ist, daß eine Mehrzahl elastischer Schläuche in den Aussparungen 2a der Halterung 2 angeordnet sind, ist im zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel eine Vielzahl dünner Kupferdrähte 5 um einen elastischen Schlauch 7 herum angeordnet, und zwar so, daß sie parallel zueinander liegen. Ansonsten ist der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels derselbe wie der des ersten Ausführungsbeispiels.
Die Vielzahl der dünnen Kupferdrähte 5 wird gleichzeitig zur Explosion gebracht, um den elastischen Schlauch 7 in radialer Richtung Schockwellen aus­ zusetzen. Dies führt dazu, daß die fluide Nahrung sterilisiert wird.
Ausführungsbeispiel 3
Fig. 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung zeigt. Die Fig. 4 entspricht der Fig. 2. Während es beim ersten Ausführungsbeispiel erforderlich ist, daß die elastischen Schläuche 7 in der Aus­ sparung 2a der Halterung 2 angeordnet sind, ist beim dritten Ausführungsbeispiel die Halterung 2 durch eine zylindrische Halterung 12 ersetzt worden, die eine vor­ gegebene Dicke aufweist. In der inneren Umfangsoberfläche der Halterung 12 ist eine Vielzahl von bogenförmigen Aussparungen 2b ausgebildet, in die elastische Schläuche 7 eingelegt sind. Ein dünner Kupferdraht 5 ist entlang der Mittellinie der Halterung 12 angeordnet. Der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels ist anson­ sten derselbe wie der des ersten Ausführungsbeispiels.
Durch die Explosion des dünnen Kupferdrahts 5 werden die elastischen Schläuche 7, die um den dünnen Kupferdraht 5 herum angeordnet sind, Schock­ wellen ausgesetzt. Dies führt dazu, daß die fluide Nahrung sterilisiert wird.
Ausführungsbeispiel 4
Fig. 5 ist eine schematische, vertikale Querschnittsansicht, die den Auf­ bau eines Schockwellen-Sterilisators gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Fig. 5 entspricht der Fig. 1. Bei dem vierten Ausführungsbeispiel sind die elastischen Schläuche 7 durch elastische Behälter 17 ersetzt worden, die jeweils an beiden Enden versiegelt bzw. verschlossen sind. Folglich sind die Nahrungsmittel-Zuführleitung 9 und die Nahrungsmittel- Abführleitung 10 weggelassen. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel werden die elastischen Behälter 17 in die bogenförmigen Aussparungen 2b der Aussparung 2a eingesetzt, die in der Halterung 2 ausgebildet ist.
Indem die elastischen Behälter 17 durch andere elastische Behälter 17 ausgetauscht werden, kann bei dem vierten Ausführungsbeispiel eine chargenwei­ se Sterilisation durchgeführt werden.
Obwohl bei den oben genannten Ausführungsbeispielen der dünne Kupferdraht 5 als Schockwellenquelle verwendet wurde, kann anstelle des dünnen Kupferdrahtes 5 auch jede andere, herkömmliche Quelle verwendet werden.

Claims (5)

1. Schockwellen-Sterilisator, in dem fluide Nahrung sterilisiert wird, ge­ kennzeichnet durch:
einen elastischen Behälter (7, 17) zum Aufnehmen fluider Nahrung;
eine Schockwellenquelle (5), die so angeordnet ist, daß sie dem elasti­ schen Behälter (7, 17) gegenüberliegt; und
ein Druckübertragungsmedium (6), das zwischen der Schockwellenquel­ le und dem elastischen Behälter angeordnet ist.
2. Schockwellen-Sterilisator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß er weiterhin folgendes aufweist:
eine Zuführleitung (9) zum Zuführen fluider Nahrung zu dem elastischen Behälter (7); und
eine Abführleitung (10) zum Abführen behandelter fluider Nahrung aus dem elastischen Behälter.
3. Schockwellen-Sterilisator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Mehrzahl elastischer Behälter (7) in gleichen Abständen von der Schockwellenquelle (5) um die Schockwellenquelle herum angeordnet sind.
4. Schockwellen-Sterilisator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Mehrzahl von Schockwellenquellen (5) in gleichen Abständen von dem elastischen Behälter (7) um den elastischen Behälter herum angeordnet sind.
5. Schockwellen-Sterilisator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der elastische Behälter (17) dicht abgeschlossen ist.
DE4437455A 1993-10-25 1994-10-19 Schockwellen-Sterilisator Ceased DE4437455A1 (de)

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