Verfahren und Vorrichtung zum Sterilisieren von Flüssigkeiten in geschlossenen Behältern mit Gas einschluss
Die Sterilisation von Flüssigkeiten in geschlossenen Behältern mittels gesättigten Wasserdampfes unter Druck verläuft nach dem heutigen Stand der Technik folgendermassen:
Die in einem geschlossenen Autoklaven befindliche Luft wird durch Dampf von lentsprechendem Druck und entsprechender Temperatur durch ein Auslassventil verdrängt, um eine Schichtbildung zu vermeiden und dadurch einheitliche Temperaturver- hältnisse im Autoklaven zu schaffen.
Das an der Wandung des Autoklaven und aussen an den das Sterilisiergut enthaltenden Behältern gebildete Kon ldenswasser wird ebenfalls Idurch das Auslassventil und durch einen Kondensstautopf abgedrückt und durch entsprechende Mengen Dampf ersetzt, bis das Sterilisiergut die Sterilisationstemperatur erreicht und über die erforderliche Sterilisationszeit behalten hat.
Während der Aufheizzeit und Sterilisierzeit des Sterilisiergutes wird dauernd eine Dampfströmung im m Autoklav aufrechterhalten. Dann wird die Dampf- zufuhr abgeschaltet und der Autoklav mit seinem Inhalt der Abkühlung überlassen. Diie Auskühlzeit des Autoklavs, die von seinen Ausmassen, seinem Inhalt und seiner Wärmeisolierung abhängt, ist oft beträchtlich länger als die Anheiz- und Sterilisationszeit und macht bei fortlaufendem Betrieb die Methode unwirtschaftlich.
Es gibt verschiedene Vorschläge, den Abkühlprozess zu verkürzen, und zwar je nach den Eigenschaften des Behältermaterials (Glas, Metall, Ther moplaslt3. Behälter, die einen Temperaturschock vertragen, können z. B. im Inneren des Autoklavs mit Kühlflüssigkeit besprüht werden.
Ein anderes Verfahren sieht vor, den Autoklav mit Wasser, das die Sterilisationstemperatur angenommen hat, zu füllen und ies dann mittels Kühlstangen lierunterzukühlen.
Bei einem anderen Verfahren wird nach beendeter Sterilisation der Dampf durch Pressluft verdrängt, worauf diese im Autoklav umgewälzt und durch eingebaute Kühl aggregate abgekühlt wird und so die Wärme des Sterilisiergutes abführt.
Wieder ein anderes Verfahren sieht vor, die Behälter im Autoklav, in einem Flüssigkeitsbad stehend, unter Druck zu sterilisieren und nach beendeter Sterilisation den Dampf abzusaugen, wobei durch jeden Unterdruck im Autoklav die Badflüssigkeit siedet, Verdampfungswärme entzogen wird und so der Autoklav und die Behälter allmählich abkühlen.
Alle diese Sterilisationsverfahren mit anschlie ssender Kühlung haben Iden gemeinsamen Mangel, dass die in dem Behälter auftretenden Drücke bzw.
Druckdifferenzen gegen die Autoklavatmosphäre nicht berücksichtigt werden, demzufolge es leicht zur Zerstörung des Behälters oder zu seiner bleibenden Deformierung oder auch zum Aufgehen des Verschlusses kommen kann.
Es wurde vorgeschlagen, bei Wärmebehandlung von geschlossenen Behältern Idurch Heissluft mit einer Testflasche den Behälterinnendruck zu prüfen und dementsprechend den Druck im Autoklav zu steuern.
Hierbei ist aber die Wärmeübertragung von Heiss- luft auf den Behälterinhalt unwirtschaftlich, und auch die Kühlung ist nicht berücksichtigt.
Ferner ist bekannt, geschlossene Behälter mit flexibler Wandung, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, deren Dampfdruck bei Ider Sterilisationstemperatur zu einer Verformung des Behälters auch ausreichen würde, in ieinem Autoklav zu sterilisieren, indem man den Druck im Autoklav durch Druckgas so erhöht, dass er dem Dampfdruck im Behälter un gefähr entspricht. Auch hier handelt es sich um eine
Sterilisationsmethode mit trockener Hitze.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Sterilisation von geschlossenen flexiblen Behältern, die mit Flüssigkeit oder auch teilweise mit Flüssigkeit, teilweise mit
Gas gefüllt sind, bekannt, bei dem Wasserdampf und Druckgas in den Autoklav eingeführt und dann fortlaufend gemischt werden, wobei die Dampfzufuhr durch einen Temperaturfühler und der Druck durch einen Dehnkörper im Autoklav geregelt wird.
Der Dehnkörper folgt Idem Druck des zu sterilisieren , den Behälters während der ganzen Sterilisationszeit und steuert dadurch Druckgaseinlass und Autoklavenauslass. Bei diesem Verfahren wird die Luft zuerst durch den Dampf aus dem Autoklav verdrängt; dann wird entsprechend dem Behälterinnendruck Druckgas zugeführt bzw. Gas-Dampfgemisch abgeblasen. Wieder erforderliche Druckabfall in dem Autoklav hat einen Temperaturabfall zur Folge, der wieder die Steuerung für das Dampfventil betätigt. Jede Dampfzufuhr erhöht nicht nur die Temperatur, son- dern auch durch Volumenvermehrung und Erwärmung des Luft-Dampf-Gemisches den herrschenden Druck im Autoklav.
Falls der Dehnkörper ohne Verzögerung reagiert, muss er den Autoklavenauslass wieder öffnen, so dass ein ständiger Dampfverlust während der Sterilisarionszeit auftritt. Nach Beendigung der Sterilisation wird entsprechend diesem Verfahren die Dampfzufuhr abgestellt und nach Öffnung des Autoklavs die Druckgaszufuhr so fortgesetzt, dass der Druck im Autoklav dem Innendruck des Behälters entspricht, bis s Autoklav und Behälter genügend ab- gekühlt sind. Bei Idem grossen Wärmeinhalt von Autoklav und Sterilisiergut erfordert dieser Kühlprozess naturgemäss grosse Mengen Druckgas und auch geraume Zeit.
Empfindliche Flüssigkeiten, wie z. B. Aminosäuren- oder Vitaminlösungen, erfordern zu ihrer Sterilisation leine möglichst kurzfristige Wärmebehandlung, um ihre therapeutische Wirksamkeit nicht einzubüssen. Da die Sterilisationszeit entsprechend der Sterilisationstemperatur festgelegt ist, kann also rur bei der Anheizung bzw. Abkühlung Zeit eingespart werden. Die Forderung nach kurzen Abkühizeiten ergibt sich insbesondere auch bei Flüssigkeitsbehältern aus thermoplastischem Material. Hier neigt die elastische Wandung bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen zu bleibender Deformierung, insbesondere, wenn zwischen dem Behälterdruck und dem Autoklavdruck grössere Druckdifferenzen auftreten.
Daher muss für eine rasche Abkühlung unter Vermeidung von Druckdifferenzen gesorgt werden, um das in der Wärme nahezu plastische Material möglichst kurze Zeit der Gewichtsbelastung durch die eigene Füllflüssigkeit auszusetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Absicht zugrunde, Flüssigkeiten in geschlossenen Behältern, die gegebenenfalls eine flexible Wandung haben, auch mit Gas eins chluss auf einfache und wirtschaftliche Weise rasch zu sterilisieren und rasch wieder abzukühlen, so dass die Flüssigkeit bzw. Ider
Behälter geschont wird und ein Sichlösen des Behälterverschlusses, eine Deformation des Behälters oder ein Platzen desselben durch auftretenden Überdruck oder ein Eindrücken des. Behälters durch übermässi gen Aussendruck verhindert werden.
Die Aufgabe besteht also darin, den geschlossenen Behälter, der mit Flüssigkeit und mit Gas (Luft, Stickstoff, CO2) gefüllt ist, so zu sterilisieren, dass in jeder Phase des Sterilisierungsvorganges, d. h. beim Anheizen, Sterilisieren und Abkühlen, die Druckverhältnisse im Autoklav denjenigen im Behälter herrschenden entsprechen, so dass z. B. bei Behältern mit elastischer Wandung Implosion oder Explosion verhindert wird. Darüber hinaus sollen empfindliche Lösungen in möglichst kurzer Zeit sterilisiert werden können, was auch für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei fortlaufendem Sterilisa- tionsbetrieb von Vorteil ist.
Die physikalischen Gegebenheiten sind kurz folgende: Wird in einem fest verschlosslen, en Behälter z. B. eine wässrige Lösung mit darüber eingeschlossener Luft von 20 auf 1200 C erhitzt, so stellt sich oberhalb der Lösung ein Gesamtdruck ein, welcher sich aus dem Partialdruck der Luft und dem partial- druck des Dampfes bei dieser Temperatur zusammensetzt. Im vorliegenden Falle wäre dieser Ges am , druck 2,33 atü. Blei Sterilisierung des Behälters in reiner Dampfatmosphäre von 120 C = 1 atü würde im Behälter ein Überdruck von 1,33 atü entstehen.
Bei rascher Abkühlung und einem raschen Druckabfall im Autoklav auf 0 atü könnte im Behälter zeitweise sogar ein Überdruck von 2,33 atü auftreten oder noch mehr, wenn durch weitere Abkühlung im Autoklav ein Vakuum auftritt.
Um das Auftreten von Überdruck oder Unterdruck innerhalb des Behälters gegen Iden Autoklavendruck während des Sterilisationsvorganges zu vermeiden, wird der Sterilisationsprozess so geführt, , dass auf einfachste Art die Druckverhältmsse im Autoklav denjenigen im Behälter angepasst werden.
Die e landläufige Auffassung von Ablauf eines Sterilisationsprozesses ist, dass die ursprünglich im Autoklav vorhandene Luft ausgetrieben werden muss, sei es durch Evakuierung, sei es durch Verdrängung mittels des Dampfes. Die Forderung nach Luftfreiheit indes Autoklavs wird mit zwei Argumenten be gründe.
1. Es ist bekannt, dass die miteingeschlossene Luft eine Verringerung der Temperatur gegenüber der reinen Sattdampftemperatur, bei gegebenem Druck, bedingt, somit der Sterilisiervorgang durch den Sterilisierdruck allein nicht beherrscht werden kann.
2. Die Anwesenheit der Luft soll die Geschwin- digkeit Ider Wärmeübertragung auf das Sterilisiergut verzögern.
Das erste Argument ist ein Trugschluss, der sich leicht durch ein Beispiel entkräften lässt: Nimmt man eine fest verschlossene, mit Wasser halb gefüllte Druckflasche und taucht, sie in ein offenes Ölbad von 1200 C, so nimmt sie zusammen mit der in ihr befindlichen Flüssigkeit die Temperatur von 120cd an, die Dampf- und Lufttemperatur über der Flüssigkeit hat ebenfalls nur 1200 C, obwohl der Druck nach dem Vorhergesagten etwa 2,33 atü beträgt. Der herrschende Überdruck beeinflusst also die Temperatur in der Flasche nicht.
Natürlich muss in einem Autoklav, bei dem die Aufheizung durch Dampf erfolgt, die eingeschlossene Luft berücksichtigt und der Druck entsprechend erhöht werden, um die Sterilis ationstemperatur zu erreichen.
Das zweite Argument kann durch eine geeignete Vorrichtung überwunden werden, die das Sterilisier- medium, in diesem Falle Idas Dampf-Luft-Gemisch, intensiv mit dem das Sterilisiergut enthaltenden Behälter in Berührung bringt. Der Wärmeübergangs- koeffizient vom Sterilisiermedium auf Idas Sterilisiergut ist abhängig von Ider Umwälzgeschwindigkeit des Sterilisiermediums.
Hier genügt die blosse Durchmischung von Dampf und Luft nicht; es muss dar über hinaus dafür gesorgt Isein, dass das Sterilisiermedium zwangsweise und intensiv den das Sterilisiergut enthaltenden Behälter im Kreislauf beströmt und damit Wärmeübergangsverhältuisse geschaffenwerden, welche ein rasches Erwärmen oder Abkühlen des Sterilisiergutes ermöglichen.
Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungs- beispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des ebenfalls erfindungsgemässen Verfahrens.
Fig. 1 stellt einen Autoklav mit Druckkessel 1 dar, welcher innen einen Einsatz 2 hat, der eine zwangsweise Bewegung des Sterilisiermediums ermöglicht. In dem seitlichen Raum zwischen dem Druckkessel 1 und dem Einsatz 2 befindet sich ein Kühlregister 3. Im oberen Raum zwischen Druckkessel 1 und Einsatz 2 befindet sich ein Ventilator 4, welcher die zwangsweise Bewegung des Sterilisiermediums bewerkstelligt. Der Druck im Autoklav kann am Mnnometer 5, die Temperatur am Thermo meter 6 abgelesen werden. Die Dampfeinströmung erfolgt über das Ventil 7, welches von einem Tempe raturregler 8 gesteuert wird. Die Entleerung des Autoklavs findet über das Ventil 9 statt.
Das Kühlmittel des Kühlregisters 3 wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 10 in einem Gegenstromkühler 11 gekühlt. Der Autoklav ist beschickt mit einem Behälter 12, welcher mit Hilfe eines Verschlusses 13 fest verschlossen ilst. Die Art, wie der Behälter 12 im Einsatz 2 erhalten ist, ist nicht dargestellt. Im Behälter befindet sich leine Flüssigkeit 14 und über dieser mit eingeschlossen ein Gaspolster 15. Im unteren Zwischenraum zwischen Druckkessel 1 und Einsatz 2 ist Raum für das anfallende Kondenswasser 16 vorhanden. Der Druckkessel besitzt überdies ein zusätzliches Druckgasventil 18.
Fig. 2 stellt einen Autoklav anderer Ausführung dar. Hier ist die Kühlvorrichung in Form einer Kühlschlange 17 im unteren Raum zwischen Druckkessel 1 und Einsatz 2, der für das Kondenswasser vorgesehen ist, angeordnet.
Gemäss dem der Erfindung entsprechen, den Verfahren wird nun folgendermassen sterilisiert: Der Behälter 12 wind in den Einsatz 2 eingebracht, worauf der Druckkessel 1 fest verschlossen wird. Das Entleerungsventil 9 ist geschlossen, so dass die Autoklavenluft mit eingeschlossen bleibt. Über Idas Ventil 7 wird nun Wärme in Form von Sattdampf indem Autoklav zugeführt und mit Hilfe Ides Ventilators 4 unter zwangsweiser Strömung des Wärmemlttels im Einsatz 2 auf den Behälter 12 übertragen.
Der Sattdampf kondensiert und sammelt sich im Raum 16, so dass im Autoklav dasselbe Phasengleichgewicht zwischen Flüssigkeit, Luft und Dampf wie im Behälter selbst herrscht. über das Ventil 7 wird so lange Wärme zugeführt, bis die gewünschte Sterilisationstemperatur erreicht ist bzw. solange es notwendig ist, die Sterilisationstemperatur aufrechtzuerhalten. Das Kühlregister 3 und sein indirektes Kühlmedium haben ebenfalls die Sterilisationstemperatur angenommen. Das indirekte Kühlmedium muss einen Siedepunkt besitzen, welcher oberhalb der Sterilisa tionsbemperatur liegt. Die Temperatur wird am Thermometer 6 kontrolliert, der Druck am Manometer 5.
An diesem kann die Störung des reinen Flüssigkeits Dampf-Gleichgewichtes durch die miteingeschlossene Luft beobachtet werden. Nach Ablauf der Sterilisa tionszeit wird die Zufuhr der Wärme über das Ventil 7 abgestellt, die Umwälzpumpe 10 und Ider Gegenstromkühler 11 werden eingeschaltet, und das ganze System Behälter-Apparat wird allmählich abgekühlt. Durch eine Vorregulierung der Wärmezufuhr bzw. der Wärmeabfuhr hat man es in der Hand, die Wärmeübertragungsverhältnisse vom Sterilisiermedium auf das Sterilisierungsgut bzw. umgekehrt zeitlich den Festigungseigenschaften des Behälters anzupassen und die Druclcldiffenzen zwischen Behälter und Autoklav zu steuern.
Eine andere Ausführung des Verfahrens ist in dem in Fig. 2 dargestellten Autoklav möglich. Die Arbeitsweise ist die gleiche wie die oben beschriebene, jedoch wird hier die Oberfläche Ides anfalTen- den Kondenswassers als Kühlfläche herangezogen, wobei dieses durch die Kühlschlange 17 mit Hilfe eines Kühlmediums von aussen her abgekühlt wird.
Bei dieser Arbeitsweise, entfällt Idie Notwendigkeit eines indirekten Kühlmediums und auch die Um wälzpumpe 10 hierfür.
Um hierbei die Kühlfläche zu vergrössern, kann man die Wand des Einsatzes 2, der die zwangsweise Bewegung des Sterilisiermediums ermöglicht, nach unten bis in den Raum 16, der für das Kondlens- wasser vorgesehen ist, verlängern, so dass zdas Sterilisiermedium beim Kühlvorgang durch das gekühlte Kosdenswasser hindurchgedrückt wird, demzufolge durch dessen Bewegung und Bläschenbildung die Kühlfläche vergrössert wird.
Eine weitere Möglichkeit bietet das in Fig. 1 dargestellte Pressluftventil 18 für das Sterilisieren von druckempfindlichen Behältern. Da der Temperaturabfall Ides Autoklavs bei der Abkühlphase dem des Behälters etwas vorauseilen muss, so eilt natürlich auch der Druckabfall des Autoklavs dem des Behälters etwas voraus, so dass der Beginn der Kühlung langsam erfolgen muss. Um eine schnellere Küh lung zu erreichen, kann man den Druckabfall, der zu Beginn der Kühlung in Autoklaven eintreten würde, durch Druckluft kompensieren.
Eine Druck luftzugabe, ! die einem Überdruck von etwa 0,1 bis 0,2 atü beim luftgefüllten kalten Autoklav entspricht, genügt im allgemeinen vollkommen, um das Vorauseilen des Druckabfalles im Autoklav auszugleichen, so dass damit ein genügend grosses Tlemperaturge- fälle zwischen Behälter und umlaufendem Medium (Luft-Dampf-Gemisch) gewonnen wird, um eine schnelle Abkühlung des Behälters zu erreichen. Dileser geringe Überdruck Idient bei der Beendigung der Kühlphase auch dazu, dass Kondenswasser vor dem Öffnen des Autoklavs durch Idas Ventil 9 rasch abzudrücken.
Mit HiLfe der beschriebenen und dargestellten Vorrichtung lassen sich durch einfache Versuche Idie jeweils günstigsten Bedingungen für die zu sterilisierenden geschlossenen Behälter ermitteln, so dass man es in der Hand hat, verschiedene Behälter mit verschieden empfindlichen Füliösungen und auch verschiedenen Füllhöhen bei den jeweils günstigsten Bedingungen einwandfrei, schnell und wirtschaftlich zu sterilisieren.