DE102008031592B4

DE102008031592B4 - Verfahren zur thermisch-chemischen Sterilisation von Großbehältern und speziellen Produktionsflächen in der Lebensmittelindustrie

Info

Publication number: DE102008031592B4
Application number: DE200810031592
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: DE102008031592A1

Abstract

Verfahren zur thermisch-chemischen Sterilisation von Steriltanks und anderen Produktionsoberflächen in der Lebensmittelindustrie, – wobei in einem Verwirbelungsreaktor (1), durch darin eingebrachte, zwei oder mehrere kleine Rohrleitungen (3), die spiralförmig darin verlegt sind, so dass die Länge der kleinen Rohrleitungen einem Vielfachen der Länge des Verwirbelungsreaktors entspricht, und Hochleistungsbündeldüsen (4), ein oder mehrere Desinfektionsmittel (11) per Hochdruckpumpen (12), mit einem Druck zwischen 10 und 40 bar, in einen lebensmittelgerechten Sattdampfstrom (15) zerstäubt werden, wobei der Dampf eine Temperatur von mindestens 110°C hat und durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche am Eingang des Verwirbelungsreaktors (2), im Vergleich zur dampfführenden Rohrleitung eine Reduzierung der Dampfgeschwindigkeit unmittelbar vor der Zerstäubung des Desinfektionsmittls erfolgt, am Ausgang des Verwirbelungsreaktors, durch die Reduzierung des Querschnitts (6) auf das Niveau der dampfführenden Rohrleitung, die Geschwindigkeit des Dampf-Desinfektionsmittel-Stroms wieder erhöht wird, – so dass ein Teil der Desinfektionsmittel innerhalb einer thermodynamischen Gleichgewichtsreaktion in die Dampfphase (14, 19) übergeht, der andere Teil in der flüssigen Phase bleibt (14, 19), dabei einen deutliche Senkung der Oberflächenspannung erfährt, und durch die Geschwindigkeit des Dampfes zu allen Bereichen der zu sterilisierenden Oberfläche gebracht wird, und auf diese Art eine 100-prozentige Benetzung der Oberfläche mit Desinfektionsmittel gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermisch-chemischen Sterilisation von sehr großen Oberflächen, vor allen Dingen Steriltanks in der Getränke- und Milchindustrie, mittels chemischer Aktivierung von lebensmittelgerechtem Niederdruck-Wasserdampf. Dadurch sollen die zu sterilisierenden Tankflächen durch eine 100%-ige Benetzung mit Desinfektionsmittel, und durch eine Aufheizung der besonders gefährdeten Bereiche auf knapp 100°C sicher sterilisiert werden. Anschließend erfolgt eine prozessinterne Entfernung aller Desinfektionsmittelreste. Bei optimaler Prozessintegration kann so eine Verkürzung der Dämpfzeiten von 75% erreicht werden, bei verbesserter Sterilisationssicherheit.
In der Lebensmittelindustrie werden auch noch heutzutage, solche Flächen, bei denen ein hoher Grad der Sterilisation erreicht werden muss, dabei sind besonders Lagertanks für sterile Lebensmittel genannt, mit gesättigtem Wasserdampf behandelt. Je nach Dampferzeugungsanlage werden dabei Temperaturen zwischen 110°C und 150°C erreicht. Gesättigter Dampf wird deshalb verwendet, weil dieser durch die Enthalpie der Kondensation, sehr große Energiemengen an die Oberflächen abgibt. Durch die Dampfbehandlung werden die Oberflächen aufgeheizt und eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten. So erfolgt eine rein thermische Sterilisation der Oberflächen.
Um die Größenordnung des Dampfverbrauches zu sehen, sei die Sterilisation eines 150 000 Liter Steriltanks, mit Wandungen aus 2 mm Edelstahl, in der Fruchtsaft- oder Molkereiindustrie angeführt. Nach Beginn der Dämpfung hat das ablaufende Kondensat nach etwa 1 Stunde die maximale Temperatur von 95°C. Diese Temperatur wird durch fortgesetztes Dämpfen für weitere zwei Stunden gehalten. Der Dampfverbrauch liegt dabei, je nach Anlage und Dampftemperatur, bei 2–4 Tonnen/Stunde, also für die Sterilisation eines Tanks bei 6–12 Tonnen.
Auch bei der Sterilisation von Oberflächen in anderen Bereichen der Lebensmittelindustrie, wir z. B. bei Zerlegebändern, Anlagen und Maschinen in der Fleischindustrie u. ä., werden sehr große Mengen Dampf eingesetzt, um die erforderliche Reduktion der Keimzahl zu gewährleisten.
Es hat sehr viele Versuche gegeben, eine chemische Sterilisation der oben angeführten Produktionsbereiche zu erreichen. Ein solches Verfahren wäre vom Zeitaufwand ungleich vorteilhafter, wesentlich preiswerter und materialschonender. Leider hat bisher noch kein rein chemisches Verfahren eine 100% wirksame Sterilisation erreicht. In den nachfolgenden Erläuterungen ist mit einer Sterilisation ein Keimzahlreduzierung von min. 10⁷ gemeint, mit einer Desinfektion eine Keimzahlreduzierung von 10⁵. Bei diesen Versuchen wurden verschiedene Desinfektionsmittel benutzt, wie z. B. Chlor, Peressigsäure, halogenierte Carbonsäuren und kurzkettige Fettsäuren. Die Anwendung dieser Desinfektionsmittel erfolgte in der Regel kalt (10–15°C), da sie sich bei höheren Temperaturen, entweder korrosiv verhalten, gesundheitsschädliche Dämpfe bilden oder unwirksam werden. Andere Chemikalien, wie z. B. Aldehyde, haben eine zu lange Einwirkzeit um im Sprühverfahren zu wirken. Wieder andere Desinfektionsmittel wie z. B. Alkohole benötigen im Sprühverfahren zu hohe Konzentrationen und sind daher nicht wirtschaftlich.
Die Gründe für das Versagen der chemischen Sterilisation sei anhand der Sterilisationsversuche an einem 150 000 Liter-Tank für Fruchtsaft erklärt. Wie schon erwähnt, werden die wirksamsten chemischen Desinfektionsmittel (Chlor, Peressigsäure) aus materialtechnischen Gründen kalt angewendet. Dabei werden die Chemikalien über den integrierten Sprühkopf zur Reinigung im Tank, nach der alkalischen und sauren Reinigung, zirkulierend im Tank versprüht. Die Zirkulationszeiten betragen dabei, je nach Desinfektionsmittel zwischen 30 und 90 Minuten.
Der wichtigste Grund dafür, dass keine sterilisierende Wirkung auftritt, ist, dass keine 100-ige Benetzung der Oberfläche stattfindet. Während die Wandungen des Tanks unproblematisch sind, sind Ausbuchtungen und Armaturen, wie z. B. Probenahmeventile, das Mannloch samt Dichtung, KZE-Armatur und der Klarablauf nicht zu 100% zu benetzen, da diese im Sprühschatten liegen. Die Folge ist bewiesenermaßen, dass diese nicht benetzten Partien Keime enthalten, und das einzufüllende Produkt infizieren.
Der zweite Grund, dass keine Sterilität erreicht wird, ist, dass der Gasraum des Tanks nicht ausreichend erreicht wird. In diesem Gasraum befinden sich sehr viele Mikroorganismen, wie z. B. Sporen von Schimmelpilzen, aber auch sehr resistente Bakterien und Hefen. Zwar bilden sich, beim Versprühen von Desinfektionsmitteln unter Druck durch den Sprühkopf, Aerosole, aber nicht in der Menge wie sie für eine Sterilisation des Gasraumes nötig wären. Eine Infektion des einzufüllenden Produktes ist daher sehr wahrscheinlich.
Der dritte Grund für die Nichtwirksamkeit von chemischen Desinfektionsmitteln im Anwendungsfall ist, die hohe Oberflächenspannung der Lösungen. Eine chlorhaltige Desinfektionslösung hat eine Konzentration von max. 0,5% eine Lösung von Peressigsäure sogar nur 750 ppm. Bei derart niedrigen Konzentrationen ist die Oberflächenspannung von etwa 70 N/m zu hoch um in alle Rautiefen der Wandungen einzudringen. Hinzu kommt, dass die Wandungen nach den vorhergegangen Reinigungsvorgängen schon nass und benetzt ist, so dass die Desinfektionsmittellösung das Spülwasser erst verdrängen muss, bevor sie sterilisierend wirken könnte.
Ein weiterer großer Nachteil in der Anwendung von chemischen Desinfektionsmitteln, ist die obligatorische Nachspülung. Laut Lebensmittelgesetz ist bei Anwendung von chemischen Substanzen eine Nachspülung mit Wasser unbedingt erforderlich. Bei Verwendung von normalem, also unsterilem Frischwasser würde man den Tank erneut verkeimen. Es ist also nötig diese Spülungen mit Sterilwasser durchzuführen. Durch die hohen Kosten bei der Herstellung von Sterilwasser, sind die wirtschaftlichen Vorteile der chemischen Desinfektion nicht mehr vorhanden.
Der letzte Grund für das Ausbleiben der Sterilisation mit chemischen Desinfektionsmitteln, ist die stärker werdende Resistenz der Mikroorganismen gegen chemische Wirkstoffe. Fakt ist, dass es keinen 100%-ig universell wirkenden Desinfektionswirkstoff mehr gibt. Waren vor 50 Jahren noch keine resistenten Keime gegen oxidative Desinfektionswirkstoffe bekannt, so gibt es heute eine ganze Reihe von Viren und auch Bakterien, die eine Resistenz gegen Desinfektionsmittel in hohen Konzentrationen aufweisen.
Aber auch die thermische Sterilisierung von Oberflächen ist nicht so sicher, wie sie in Fachbüchern dargestellt wird. Verderbniserreger wie Bacillus stearothermophilus und Clostridium sporogenes, mit D_121,1°C-Werten zwischen 300 und 400 und extrem wärmetolerante Sporen von Schimmelpilzen u. ä., werden in Zukunft die Verfahren der Sterilisation von Oberflächen von anderen Faktoren, als der alleinigen Hitzeeinwirkung, abhängig machen.
Die meisten Mikroorganismen zeigen aber ihre Resistenz immer nur gegen einen Faktor einer nachhaltigen Desinfektion und Sterilisation. So sind die Sporen vieler thermophiler Mikroorganismen zwar widerstandsfähig gegen Hitze, gegen chemische oder oxidative Desinfektionsmittel, oder auch gegen den abrupten Wechsel des pH-Wertes, aber recht anfällig. Und andersherum sind viele, chemisch beständige Bakterien sehr empfindlich gegen Hitze, und beginnen bereits bei Temperaturen von 45°C abzusterben.
Nun sind aber für andere Bereiche verschiedene Verfahren zur Oberflächenentkeimung bekannt. Vor allen Dingen seien dabei die verschiedenen Verfahren die auf dem Prinzip des VHP, des Vaporized Hydrogen Peroxid beruhen, genannt. Das Verfahren der Verdampfung von Wasserstoffperoxid-Lösung ist in vielen Patentschriften, unter anderem DE 197 42 822 B4 und DE 10 2006 036 462 A1 , beschrieben. Dabei wird aus einer 35–50%-igen Wasserstoffperoxid-Lösung unter teilweiser Verwendung von Katalysatoren, ein Dampf zur Sterilisation erzeugt. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Packmittelentkeimung in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Die Verwendung von VHP für die beschriebenen Anforderungen, für die die vorliegende Erfindung konzipiert ist, ist aus prozesstechnischen Gründen nicht geeignet. Zum einen werden bei diesem Verfahren möglichst niedrige Temperaturen angestrebt, damit die verwendeten Packmittel keine thermischen Verformungen erleiden. Die thermische Komponente, die die vorliegende Erfindung ausmacht ist bei diesen Verfahren nicht gegeben. Außerdem wäre es nicht möglich, in einem Tank der 250.000 Liter Volumen hat, derartig viel VHP zu erzeugen, um eine 100%-ige Benetzung zu gewährleisten. Da bei der Sterilisation mit VHP Luft als Trägergas verwendet wird, ist eine Sterilisation des Gasraumes im Tank auch nicht mehr gegeben. Weiterhin wird auch bei der Packmittelsterilisation darauf geachtet, möglichst wenig Kondensat zu erzeugen. Die Vorteile der Kondensatspülung wären bei der Anwendung dieses Verfahrens nicht mehr gegeben. Und nicht zuletzt ist die gefährliche Brennbarkeit von Wasserstoffperoxid-Dampf in der erzeugten Konzentration, ungeeignet für die Verwendung bei derart großen Oberflächen. Selbst wenn ausschließlich Wasserstoffperoxid als Desinfektionsmittel im vorliegenden Verfahren benutzt wird, ist die maximale Konzentration bei max. 5 Gew.-%, bei der Verwendung von VHP liegt diese bei 35–50 Gew.-%. In der Umkehrung kann man daher auch sagen, dass das Verfahren in vorliegender Erfindung nicht für die Einsatzbereiche von VHP geeignet ist.
In den Patenschriften DE 600 06 142 T2 und DE 600 33 802 T2 werden Verfahren aus der Biotechnologie beschrieben, die die Mikrokondensation zum Erreichen einer 100%-igen Benetzung benutzen. Bei diesem Verfahren wird ein Trägergas eingesetzt, dass die Mischung aus Dampf und Desinfektionsmittel zu den zu sterilisierenden Oberflächen bringt. Dieses zirkulierende Trägergas ist auch Kern der Wirksamkeit der Verfahren. Weiterhin besitzen die Apparate, die in den Verfahren enthalten sind, eigene Verdampfer, die einen Dampf erzeugen, der das Desinfektionsmittel enthält. Bei diesen Verfahren wird, wie bei der Desinfektion von Packmitteln, möglichst kalter Dampf benötigt, um eine thermische Beanspruchung der Anlagenteile zu vermeiden. Daher sind diese Verfahren für die Anforderungen der vorliegenden Erfindung nicht geeignet.
In Patentschrift DE 40 90 663 C2 wird ein Verfahren beschriebenen, bei dem flüssiges Desinfektionsmittel mit einer speziellen Apparatur in feinste Tröpfchen zerlegt wird, und anschließend in einem Raum versprüht wird. Dieses System nutzt Wasserdampf lediglich vor der eigentlichen Desinfektion zur Befeuchtung des Raumes. Eine thermische Komponente ist auch bei diesem System nicht vorhanden. Außerdem ist der konstruktive Aufbau dieses Verfahrens nicht geeignet zum Einbau in einen Lebensmitteltank.
In Patentschrift DE 195 47 650 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem chemische Desinfektionsmittel in einen handelsüblichen Dampfreiniger gebracht werden, die nach Verdampfung für einen Sterilisationseffekt auf Oberflächen sorgen sollen. Dieses Verfahren ist ebenfalls nicht für die Einsatzzwecke der vorliegenden Erfindung geeignet, da auch hier nur eine sehr geringe thermische Wirkung erzeugt wird, und auch nicht genug Desinfektionsmitteldampf erzeugt werden kann. Weiterhin ist bei diesem Verfahren, aus technischen Gründen, lediglich eine maximale Konzentration von einem Prozent des Desinfektionsmittels zulässig, was für die vorliegende Erfindung keinesfalls ausreicht.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Methode, bei der sowohl die unbedingt erforderlichen sterilisierenden, thermischen Eigenschaften von gesättigtem Wasserdampf, als auch die wirksamen chemischen keimreduzierenden Eigenschaften verschiedener Desinfektionsmittel genutzt werden sollen. Die Kombination dieser Eigenschaften schafft eine neue Sterilisationsmethode für die Lebensmittelindustrie, die nachfolgend beschrieben werden soll:
Ein gesättigter Wasserdampfstrom wird durch Rohrleitungen zum sog. Verwirbelungsreaktor geführt. Der Reaktor besteht aus einem gewellten Rohr, dessen Durchmesser etwa 4–6-mal größer ist, als der der dampfführenden Rohrleitung. Diese Rohrleitung ist über eine Reduzierung mit dem Verwirbelungsreaktor verbunden.
In dem Verwirbelungsreaktor sind zwei oder mehrere kleine Rohrleitungen spiralförmig verlegt, so dass die Länge der kleinen Rohrleitungen ein Vielfaches der Länge des Verwirbelungsreaktors entspricht. An einem Ende der kleinen Rohrleitungen innerhalb des Reaktors sind spezielle Hochdruck-Bündeldüsen verschraubt. Das andere Ende dieser kleinen Rohrleitungen ist mit je einem Doppelnippel verbunden, der in der Hülle des Reaktors verschweißt ist. Die anderen Seiten der Doppelnippels, die außerhalb des Reaktors sind, sind über Schlauchleitungen mit je einer Hochdruckpumpe verbunden. Am anderen Ende des Reaktors wird der Durchmesser über Reduzierungen wieder auf den Durchmesser der dampfführenden Rohrleitung gebracht.
Beim Sterilisationsvorgang geschieht grundsätzlich folgendes:
Der Strom mit gesättigtem Wasserdampf läuft durch den Verwirbelungsreaktor und heizt diesen und die darin befindlichen Rohrleitungen bis knapp auf Dampftemperatur auf. Gleichzeitig wird der Dampf durch den größeren Querschnitt des Reaktors abgebremst. In diese Phase mit der geringeren Geschwindigkeit wird durch die Hochleistungs-Bündeldüsen, mit sehr hohem Druck, ein Desinfektionsmittel in dem Dampf vernebelt. Diese Feinsttröpfchen werden nun vom Wasserdampf mitgerissen und gehen im Rahmen des thermodynamischen Gleichgewichtes teilweise in Dampf über. Durch den, sich wieder verkleinernden Querschnitt, werden sowohl der Dampf als auch die sich befindenden Feinsttröpfchen beschleunigt und mit dieser Geschwindigkeit durch die Rohrleitung auf die zu desinfizierende Oberfläche gebracht. Durch die geringe Größe der Feinsttröpfchen verlassen diese den Dampf nicht, und gelangen überall dorthin, wo auch der Dampf hingelangt. Durch die Erhitzung des Desinfektionsmittels, wird die Grenzflächenspannung der Tröpfchen derart gesenkt, dass auch feinere Rautiefen mit dem Desinfektionsmittel gefüllt werden. Daher kann man von einer 100%-igen Desinfektionsmittelbenetzung der zu sterilisierenden Oberfläche sprechen.
Neben der Funktion der Apparatur beinhaltet die vorliegende Erfindung weitere Faktoren.

a.) Unmittelbar nach Ende der Vernebelung des Desinfektionsmittels in den Dampf, wird der Dampf weiter in den Tank oder auf die Oberfläche gebracht, damit das reine Kondensat eventuelle Rückstände des Desinfektionsmittels entfernt. Daher wird ab jetzt von dem Vorgang der „Kondensatspülung” gesprochen.
b.) Ziel der Verwendung von Wasserdampf ist ausdrücklich nicht nur die Verteilung des Desinfektionsmittels, sondern unabdingbar auch die thermische Wirkung zu Sterilisationszwecken.
c.) Ein wichtiges Kriterium zur optimalen Sterilisation, ist die Erhitzung des Desinfektionsmittels vor der Zerstäubung. Diese Erhitzung verhindert, dass sich die Feinsttröpfchen untereinander wieder verbinden. Weiterhin wird durch die Temperatur, die Oberflächenspannung des reinen Desinfektionsmittels derart gesenkt, dass ein Eindringen in alle Rautiefen der Oberfläche gegeben ist.
d.) Durch die Verwendung von zwei oder mehreren Hochdruckpumpen, können mehrere Desinfektionsmittel, ohne Veränderungen am System, gleichzeitig verwendet werden, was eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsfälle möglich macht.
e.) Als Desinfektionsmittel können solche chemischen Substanzen verwendet werden, die bei der hohen Temperatur eine keimabtötende Wirkung haben, und für das zu behandelnde Material geeignet sind. Solche Substanzen sind zum Beispiel: • organische Säuren, wie z. B. Milchsäure, Ameisensäure, Glykolsäure, kurzkettige Fettsäuren u. ä. • Alkohole, wie z. B. Ethanol, Isopropanol u. ä. • oxidativ wirkende Substanzen wie z. B. Peressigsäure und Wasserstoffperoxid • Biguanide
f.) Der Druck in den Hochdruckpumpen ist einstellbar und kann auf jeden Dampfdruck des Wasserdampfes und jedes Desinfektionsmittel eingestellt werden. Der Druckbereich liegt zwischen 8 und 40 bar.
g.) Das Verfahren, sowie die dazugehörige Apparatur sind sowohl als mobile, als auch als stationäre Ausführung zu fertigen.
h.) Das Verfahren benutzt ausschließlich die Dampfanlage des einzusetzenden Betriebes und hat keine sonstige Wärmezufuhr.

Grundsätzlich müssen bei der Betrachtung der Eignung der verschiedenen Verfahrensweisen, die besonderen Anforderungen der Sterilisation von Oberflächen in der Lebensmittelindustrie betrachtet werden.
Bei der Verwendung von VHP zur Packmittelsterilisation erfolgt eine Oberflächensterilisation von nahezu keimfreien Oberflächen. Die benutzten Materialien werden entweder unter hygienisch einwandfreien Bedingungen hergestellt und verpackt, wie das Verbundmaterial für Getränkekartons, oder kurz vor der eigentlichen Sterilisation produziert, wie das bei PET-Behältnissen der Fall ist. Da diese Materialien bis zur Abfüllung, weder mit Wasser noch mit einer Kohlenhydratquelle in Berührung kommen, ist das Potential für Verkeimungen sehr gering. Dasselbe gilt auch für die beschriebenen Sterilisationen von Reinräumen in der Biotechnologie. Auch hier ist das Potential für Verkeimungen, durch die Aufrechterhaltung von hohen Hygienestandards vor der eigentlichen Sterilisation, sehr gering.
Produktions- und Lagerflächen in der Lebensmittelindustrie sind in dieser Beziehung deutlich gefährdeter. Durch die ständige Keimbelastung, die in der Natur jeden Lebensmittels ist, reichen die beschriebenen Verfahren bei weitem nicht aus. VHP wird bei den angegebenen, kurzen Wirkzeiten keine ausreichende Keimzahlreduktion bewirken, dasselbe gilt für die aufgezeigten Verfahren der Reinraumsterilisation. Denn auch in worst-case-Szenarien, die beispielsweise die Bildung von Biofilmen in einem Produktionssystem für Lebensmittel betreffen, muss nach der Sterilisation eine Keimzahlreduktion gegeben sein, die sowohl Gesundheitsgefahren als auch Gefahren für das Produkt sicher ausschließen.
Die thermische Wirkung bei der Sterilisation, gerade bei gefährdeten Bereichen, wie Ein- und Ausläufe oder Ausbuchtungen in Tanks, ist bei der vorliegenden Erfindung von funktionsentscheidender Bedeutung.
Ein weiterer Schwachpunkt bei den beschriebenen Verfahren ist die Art des verwendeten Sterilisationsmittels. Es wird immer Wasserstoffperoxid genannt, die Möglichkeit für andere Desinfektionsmittel lassen sich diese Schriften aber offen. Und genau hier liegt eine große Gefahr. Man geht immer davon aus, dass sich Wasserstoffperoxid grundsätzlich in Wasser und Sauerstoff zersetzt, Erfahrungen in der Praxis haben aber gezeigt, dass Wasserstoffperoxid sehr viel stabiler ist, als angenommen. Man kann also nicht automatisch davon ausgehen, dass man keine Rückstände mehr auf der zu sterilisierenden Oberfläche hat. Gesetzlich vorgesehen für so einen Fall ist eine obligatorische Nachspülung. Wenn also schon Wasserstoffperoxid Rückstände hinterlässt, ist die Gefahr sehr groß, dass stabilere Substanzen sehr viel mehr Rückstände hinterlassen. In so einem Fall muss eine Spülung mit Wasser erfolgen. Um die Keimfreiheit weiter garantieren zu können, muss dabei Sterilwasser verwendet werden, was wiederum Gefahren für das Produkt haben kann und auch nicht sehr wirtschaftlich ist.
Hier liegt ein weiterer großer Vorteil in der vorliegenden Erfindung. Wasserdampf ist in jedem Lebensmittelbetrieb quasi unbegrenzt vorhanden. Durch die, zur Erreichung des thermischen Effektes, nötige Dampfmenge wird steriles Kondensat im Überfluss erzeugt. Durch niedrige Oberflächenspannung des heißen Kondensates werden Desinfektionsmittelreste sicher ausgespült. Es kann daher quasi jedes Desinfektionsmittel benutzt werden, dass bei den Temperaturen eine keimzahlreduzierende Wirkung zeigt.
Aus diesem Grund sollen nachfolgend Kriterien genannt werden, die die vorliegende Erfindung ausdrücklich von anderen Verfahren unterscheidet:

a.) Das Verfahren benutzt kein weiteres Trägergas, wie Luft oder Edelgase, zum Transport oder Erreichen des Sterilisationszweckes. Im Gegenteil, eine zusätzliche Einleitung von Luft oder anderen Gasen würde zu einer Abkühlung führen, was die thermischen Effekte reduziert.
b.) Das vorliegende Verfahren benutzt keinen Katalysator zur Aktivierung des Desinfektionsmittels, sondern nur thermische Effekte.
c.) Das Verfahren benutzt keinerlei Vakuum- oder Unterdruckeffekte.
d.) Da die Siedetemperatur der meisten Desinfektionsmittel (z. B. Milchsäure, 80%-ig = 122°C, Wasserstoffperoxid, rein = 150°C) unter der des Niederdruck-Wasserdampfes (z. B. 0,2 bar Überdruck = 118°C) liegt, liegt eine Verdampfung des Desinfektionsmittels nur innerhalb thermodynamischer Gleichgewichte.
e.) Das Verfahren ist ausschließlich für die Lebensmittelindustrie konzipiert. Es werden daher nur solche Desinfektionsmittel empfohlen, die ungiftig, produktschonend und vor allen Dingen ungefährlich für die Beschäftigten im Arbeitsbereich sind. Das Verfahren ist daher ausdrücklich nicht geeignet für die Verwendung von Formaldehyd (Formalin), anderen Aldeyden, Chlor usw..
f.) Da die Bildung von Kondensat unabdingbar mit der Wirkung des Verfahrens verbunden ist, ist das Verfahren für Produktionsprozesse, wo die Bildung von Kondensat unerwünscht ist, wie z. B. bei der Packmitteldesinfektion oder der Desinfektion von Reinräumen, nicht geeignet. Weiterhin ist das Verfahren für die Desinfektion von Gebinden nicht geeignet, wie z. B. die Desinfektion von PET-Flaschen bei kaltaseptischer Abfüllung.
g.) Das Verfahren ist konzipiert für die mikrobiologischen Belastungen in der Lebensmittelindustrie. Es besteht daher keine automatische Übertragbarkeit des Verfahrens in andere Industriezweige, wie z. B. der Biotechnologie, der Pharmaindustrie u. a..
h.) Das Verfahren ist auch für die Sterilisation von offenen Anlagenteilen geeignet, insofern die MAK-Werte für die Beschäftigten nicht überschritten werden.

Die praktische Funktionsweise des vorliegenden Verfahrens soll nun anhand seiner Einsatzmöglichkeiten erklärt werden:
Bei der Sterilisation eines 150 000 Liter Steriltanks, z. B. in der Fruchtsaft oder Molkereiindustrie wird wie folgt vorgegangen. Nach einer gründlichen Reinigung des Tanks mit, am Besten alkalischer und saurer Reinigung, wird die Apparatur an den Anschlüssen des Verwirbelungsreaktors an der einen Seite mit der betrieblichen Dampfleitung verbunden. An der Ausgangsseite wird über eine Verzweigung, sowohl ein Anschluss der in den oberen Teil des Tanks führt, z. B. die Reinigungsleitung, als auch ein Anschluss der in den unteren Teil des Tanks führt, z. B. der Klarablauf, hergestellt. Der Anschluss kann durch Schläuche oder auch flexible Rohrleitungen geschehen. Nun wird für etwa 10 Minuten reiner Dampf durch die Apparatur in den Tank geleitet. Dabei heizen sich sowohl der Reaktor, mit den sich darin befindlichen Desinfektionsmittelleitungen, als auch der Tank auf. Nach dieser Zeit werden die Hochdruckpumpen eingeschaltet und zerstäuben das Desinfektionsmittel in den Reaktor, welches dann in den Tank kommt. Je nach Desinfektionsmittel und Pumpeneinstellung erfolgt die Zerstäubung für 4–5 Minuten. Nach dem Abstellen der Pumpen wird weiter reiner Dampf eingeleitet, um die Kondensatspülung zu beginnen. Die Dampfeinleitung wird für weitere 20 Minuten fortgesetzt, danach wird der Tank nach gewohnten Verfahren abgekühlt.
Bei diesem Verfahren geschieht physikalisch-chemisch gesehen Folgendes im Inneren des Tanks.
Die Vorheizphase bewirkt im Verwirbelungsreaktor, dass die Desinfektionslösungen eine derart hohe Temperatur erreicht, dass die gebildeten Feinsttröpfchen nicht mehr „aneinander kleben”. Weiterhin wird die Oberflächenspannung durch die hohe Temperatur stark gesenkt.
Innerhalb des Tanks werden durch die Vorheizphase die Tankwandungen und auch der Luftraum erwärmt. Die erwärmte Luft dehnt sich aus und beginnt durch die Kondensatabläufe abzugehen. Die Erwärmung der Tankwandungen und auch der Gasphase hat den Sinn, dass der desinfektionsmitteltragende Wasserdampfstrom nicht schlagartig kondensiert, sondern eine langsame Benetzung und Verdrängung des Restwassers an der Tankwandung stattfindet.
Durch den größeren Querschnitt des Verwirbelungsreaktors im Vergleich zur dampfführenden Leitung, hat der Dampf innerhalb des Reaktors eine geringere Geschwindigkeit. Das zerstäubte Desinfektionsmittel kann sich in diesem Bereich besonders gut verteilen. Dabei werden alle beschriebenen Effekte erreicht. Durch den wieder kleiner werdenden Rohrquerschnitt am Ausgang, wird sowohl der Dampf als auch das mitgeführte Desinfektionsmittel wieder beschleunigt. Im Tank verwirbelt sowohl der Dampf als auch das Desinfektionsmittel. Durch die Dampfgeschwindigkeit treffen die Feinsttröpfchen des Desinfektionsmittel auf die Tankwandung, unterlaufen die, von der vorherigen Reinigung zurückgebliebene, Restflüssigkeit und benetzen die gesamte Oberfläche vollständig. Durch die ständige Verwirbelung des Dampfes im Tank, ist auch nach Abstellen der Hochdruckpumpen ein weiterer Kontakt des Desinfektionsmittels gegeben. So ist nicht die reine Zerstäubungszeit als Sterilisationszeit zu verstehen, denn diese ist 3–4 länger. Durch die weitere Zufuhr von reinem Dampf, nimmt die Konzentration des Desinfektionsmittels aber beständig ab. Nach Ende der Zerstäubung wird noch etwa 50% der gesamten Sterilisationszeit weiter gedämpft. Dieses geschieht aus 3 Gründen:
Zum ersten ist dabei die thermische Komponente des Sterilisationsverfahrens genannt. Die mikrobiologisch bedenklichen Bereiche in einem Tank, befinden sich oben im Bereich und dem Sprühschatten des Sprühkopfes, und im unteren Teil, wo Ausbuchtungen wie das Mannloch, Klarablauf, Probenahmeventile usw., eine nachhaltige Sterilisation erschweren. Dadurch, dass das vorliegende Verfahren den Dampf sowohl oben als auch von unten in den Tank einleitet, werden die empfindlichen Bereiche stark erhitzt. Bei Beobachtungen mit einer Wärmebild-Kamera, konnten in diesen Bereichen schon nach sehr kurzen Dämpfzeiten, Materialtemperaturen von über 100°C gemessen werden. Die Temperaturen an den Tankwandungen gingen etwa in der Mitte des Tanks, wo wir eine 100%-ige Benetzung des Desinfektionsmittels erreichen, nicht über 45°C hinaus. Auf diese Weise zeigt das Verfahren seine optimale Wirkung durch die Kombination der physikalischen Verfahrensweisen.
Zum zweiten ist die Sterilisation des Gasraumes im Tank, ein wichtiger Grund zur weiteren Dampfeinleitung nach der Desinfektionsmittelzerstäubung. Aufgrund seiner höheren Dichte verdrängt der reine Wasserdampf die, im Tank befindliche Luft vollständig. So ist eine 100%-ige Wirkung des Desinfektionsmittels in der Gasphase nicht unbedingt erforderlich. Die enthaltene Luft wird komplett entfernt und durch den Dampf ersetzt. Aus diesem Grund muss auch unbedingt auf ein weiteres Trägergas verzichtet werden, da dieses den beschriebenen Effekt einschränken würde.
Der dritte Grund für die weitere Dampfeinleitung ist die erforderliche Spülung mit Kondensat. Wie schon erwähnt, sind laut Lebensmittelgesetz, Rückstände der Desinfektionsmittel unbedingt zu entfernen. Das Verfahren benutzt dafür das entstehende Kondensat, dass eine 100%-ige Entfernung aller Desinfektionsmittelrückstände bewirkt.
Nach diesen Maßnahmen ist der Tank, nach Einsatz des vorliegenden Verfahrens, steril, im Sinne der Definition.
Wie schon erwähnt ist der thermische Effekt durch die Dampfeinleitung unabdingbar für das Verfahren. Durch die längerfristige Wärmeeinwirkung werden in den Mikroorganismen, bzw. deren Sporen, die Enzymaktivitäten derart herabgesetzt, dass keine Vermehrung dieser mehr erfolgen kann. Aber auch Toxine, die durch verschiedene Mikroorganismen gebildet werden, werden durch Wärmeeinwirkung neutralisiert. So ist z. B. das Toxin von Clostridium botulinum, dessen letale Dosis bei 0,1 μg liegt, bei 85°C in 5 min komplett neutralisiert. Es ist daher wichtig, sowohl auf der Oberfläche, als auch im Gasraum eine bestimmte Temperatur zu erreichen, um diese bestimmten Eigenschaften zu nutzen.
Aus diesem Grund wird auch reiner Dampf als Medium verwendet. Durch die frei werdende Energie, die bei der Kondensation vom Dampf an die Umgebung abgegeben wird, ist die Wärmeübertragung ungleich höher als bei der Verwendung von trockener Heißluft. So ist z. B, für die Abtötung von Salmonella typhi eine Abtötungszeit von 7200 Sekunden bei 100°C nötig, wohingegen bei feuchter Hitze durch Dampf, bereits 20 Sekunden bei 65°C genügen. Jede Einbringung von zusätzlichen Gasen bei der Sterilisation würde die eigentliche Sterilisationswirkung herabsetzen. Auch aus diesem Grund soll auf ein weiteres Trägergas bei der Sterilisation verzichtet werden.
Abschließend sollen noch einmal die Vorteile, die das vorliegende Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik hat, aufgeführt werden:

a. Dampfeinsparung von bis zu 75%
b. Abwassereinsparung um bis zu 75%
c. Verkürzung der Dämpf- und Abkühlzeiten um bis zu 70%
d. Erhöhte mikrobiologische Sicherheit durch die Kombination der Wirkmechanismen
e. Rückstandsfreie Produktionsoberflächen
f. Vollständige biologische Abbaubarkeit der chemischen Rückstände
g. Keine Notwendigkeit einer Sterilwasserspülung
h. Uneingeschränkte Automatisierbarkeit und Steuerbarkeit
i. Uneingeschränkte Prozessintegration.

Bezugszeichenliste
Fig. 1: Verwirbelungsreaktor

1: Dampfeinlass
2: Querschnittsvergrößerung zur Senkung der Dampfgeschwindigkeit
3: Desinfektionsmittelleitungen innerhalb des Reaktors
4: Hochleistungs-Bündeldüsen
5: Leitungen zu den Hochdruckpumpen
6: Querschnittsreduzierung zur Erhöhung der Dampfgeschwindigkeit
7: Desinfektionsmittelauslass
8: Reaktorfläche

9: Dampfstrom am Systemeintritt
10: Systemsteuerung (z. B. SPS)
11: Sterilisationsmittelzuleitung
12: Hochdruckpumpen
13: Verwirbelungsreaktor (1)
14: Sterilisationsmittelstrom am Systemaustritt

15: Dampfstrom
16: Betriebsinternes Rohrleitungssystem
17: Zuführleitung Sterilisationsmittel
18: Rohrleitungssystem zur zu sterilisierenden Oberfläche (z. B. Steriltank)
19: Sterilisationsmittelströme
20: Einleitungsstellen zur zu sterilisierenden Oberfläche (z. B. Sprühkopf im Tank und Klarablauf am Tank)
21: Vorrichtung zur chemischen Dampfaktivierung (2)
22: Zu sterilisierende Oberfläche (z. B. Steriltank)

Claims

Verfahren zur thermisch-chemischen Sterilisation von Steriltanks und anderen Produktionsoberflächen in der Lebensmittelindustrie, – wobei in einem Verwirbelungsreaktor (1), durch darin eingebrachte, zwei oder mehrere kleine Rohrleitungen (3), die spiralförmig darin verlegt sind, so dass die Länge der kleinen Rohrleitungen einem Vielfachen der Länge des Verwirbelungsreaktors entspricht, und Hochleistungsbündeldüsen (4), ein oder mehrere Desinfektionsmittel (11) per Hochdruckpumpen (12), mit einem Druck zwischen 10 und 40 bar, in einen lebensmittelgerechten Sattdampfstrom (15) zerstäubt werden, wobei der Dampf eine Temperatur von mindestens 110°C hat und durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche am Eingang des Verwirbelungsreaktors (2), im Vergleich zur dampfführenden Rohrleitung eine Reduzierung der Dampfgeschwindigkeit unmittelbar vor der Zerstäubung des Desinfektionsmittls erfolgt, am Ausgang des Verwirbelungsreaktors, durch die Reduzierung des Querschnitts (6) auf das Niveau der dampfführenden Rohrleitung, die Geschwindigkeit des Dampf-Desinfektionsmittel-Stroms wieder erhöht wird, – so dass ein Teil der Desinfektionsmittel innerhalb einer thermodynamischen Gleichgewichtsreaktion in die Dampfphase (14, 19) übergeht, der andere Teil in der flüssigen Phase bleibt (14, 19), dabei einen deutliche Senkung der Oberflächenspannung erfährt, und durch die Geschwindigkeit des Dampfes zu allen Bereichen der zu sterilisierenden Oberfläche gebracht wird, und auf diese Art eine 100-prozentige Benetzung der Oberfläche mit Desinfektionsmittel gewährleistet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Eigenschaften des Dampfes ebenfalls zur Sterilisation genutzt werden, und Temperaturen an den mikrobiologisch gefährdeten Bereichen von über 80°C erreicht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der eigentlichen Sterilisation eine Kondensatspülung zur Entfernung der Desinfektionsmittelreste erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionsmittel organische Säuren, Alkohole, oxidativ wirkende Substanzen, Biguanide, Natronlauge und Mineralsäuren sein können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass kein weiters Trägergas benutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei und auch mehrere Desinfektionsmittel gleichzeitig zur Sterilisation benutzt werden können.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Verwirbelungsreaktor mit Ein- und Auslass, wobei er sowohl an seinem Eingang als auch an seinem Ausgang konisch zusammenläuft, darin eingelassenen, spiralförmig verlegten Rohren, deren Länge ein Vielfaches der Länge der Verwirbelungsreaktors entspricht, und die das Desinfektionsmittel vorheizen, darin eingebaute Hochleistungsbündeldüsen, die das Desinfektionsmittel in den Dampf zerstäuben, wobei die eingelassenen Rohrleitungen und die Hochleistungsbündeldüsen durch den Verwirbelungsreaktor mit den Hochdruckpumpen verbunden sind, und durch diese Pumpen die Förderung des Desinfektionsmittels mit einem Druck von 10 bis 40 bar geschieht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpen eingebaut, und auf diese Weise verschiedene Desinfektionsmittel in unterschiedlichen Drücken und in unterschiedlichen Dosiermengen verwendet werden können.