Zyklus mit Druckunterstützung im Autoklaven

Im Bereich der Sterilisationstechnologie stellt die Einführung des druckunterstützten Zyklus in Autoklaven einen bedeutenden Durchbruch dar, insbesondere für die Sterilisation von verpackten Produkten wie Augentropfen, Fläschchen, vorgefüllten Spritzen, Beuteln und Lebensmittelkonserven.

Das Verständnis dieses Prozesses beginnt mit der Erkenntnis, dass der Druckunterschied zwischen dem Inneren der Behälter und dem Druck in der Kammer während der Sterilisations- und Abkühlungsphasen kontrolliert werden muss.

Um das Risiko zu minimieren, dass diese Unterschiede zu groß werden, wurde der druckunterstützte Zyklus entwickelt, der den strategischen Einsatz von Druckluft beinhaltet. Durch kontrolliertes Einblasen von Druckluft in die Sterilisationskammer wird dieser Druckunterschied minimiert, wodurch die strukturelle Integrität der verarbeiteten Behälter erhalten bleibt.

Arten von druckunterstützten Zyklen

Der druckunterstützte Zyklus in Autoklaven hat zwei Hauptvarianten, den Überdruckzyklus und den Zyklus mit Luft-Dampf-Gemisch. Jeder dieser Zyklen ist so konzipiert, dass er spezifischen Anforderungen gerecht wird und sich an unterschiedliche Beladungsarten anpasst.

Zyklus mit Überdruck

Der Überdruck-Zyklus, auch bekannt als „Luftballast”, ist eine fortschrittliche Anpassung des Standard-Flüssigkeits-Zyklus, der die Verwendung von Druckluft mit einem Schnellkühlsystem kombiniert und speziell für die Sterilisation von halboffenen Behältern entwickelt wurde. Sein Hauptvorteil liegt in der Minimierung des Flüssigkeitsverlustes durch Verdampfung während der Kühlphase, was ihn zu einer idealen Wahl in Situationen macht, in denen selbst minimale Flüssigkeitsverluste nicht akzeptabel sind. Dieser Zyklus wird üblicherweise für die Sterilisation von Gegenständen wie vorgefüllten Pipetten, Lösungsfläschchen, nicht hermetisch verschlossenen Flaschen, mit Folie überzogenen Glaswaren und allen anderen Behältern, die eine teilweise Entlüftung zulassen, verwendet.

Wie wir bereits in unserem Beitrag über den Sterilisationszyklus für Flüssigkeiten erklärt haben, ist es wichtig, während der Kühlphase einen kontrollierten und allmählichen Druckabbau durchzuführen, um ein plötzliches Sieden des Inhalts zu vermeiden. Das Problem, das der Standard-Flüssigkeitszyklus nicht löst, ist jedoch, dass die verarbeitete Ladung am Ende der Sterilisationsphase, wenn die Abkühlphase beginnt, und bis zu deren Abschluss durch Verdunstung an flüssiger Masse verliert. Um diesen Nachteil zu verringern, führt der Überdruckzyklus Druckluft in die Kammer ein, um den Druck aufrechtzuerhalten. Dadurch verringert sich der Partialdruck des Dampfes, und mit sinkender Temperatur verringert sich auch die Verdampfung der Ladung. Auf diese Weise werden die Materialien schnell abgekühlt, ohne dass ein nennenswertes Volumen an flüssiger Masse verloren geht.

Aus funktionaler Perspektive weist der Überdruckzyklus Ähnlichkeiten mit dem Dampf-Luft-Mischzyklus auf, da beide Methoden die Autoklavenkammer durch eine Kombination aus Dampf und Druckluft unter Druck setzen. Während jedoch beim Dampf-Luft-Mischzyklus sowohl in der Sterilisations- als auch in der Abkühlphase Luft zugeführt wird, unterscheidet sich der Überdruckzyklus dadurch, dass nur in der Abkühlphase Druckluft eingeblasen wird.

Während der Dampf-Luft-Mischzyklus im Allgemeinen in Situationen angewandt wird, in denen versiegelte Behälter einen hohen Innendruck entwickeln und sich verformen oder brechen können, zielt der Überdruckzyklus darauf ab, den Verdunstungsverlust der flüssigen Ladung während der Kühlphase zu minimieren und bietet eine optimale Lösung für die Konservierung von Flüssigkeiten in halboffenen Behältern.

Ein klares Beispiel für eine Anwendung, bei der dieser Zyklus vorzuziehen ist, ist die Verarbeitung von halboffenen Flaschen mit Kulturmedien oder im pharmazeutischen Bereich bei der Verarbeitung von Behältern mit kleinen Volumina, bei denen ein Wasserverlust durch Verdunstung nicht akzeptabel ist.

Typischerweise werden druckunterstützte Autoklaven auch von einem Schnellkühlsystem ergänzt, wie z.B. einem internen Ventilator und einer Wasserspirale, die die Außenseite der Kammer umgibt.

Die Kombination beider Systeme, einerseits durch eine beschleunigte Senkung der Temperatur und andererseits durch eine Erhöhung des Drucks in der Kammer, verhindert das Verdampfen der Ladung, so dass eine letzte Phase des Zyklus mit einem minimalen oder gar keinem Verlust an flüssiger Ladung durchgeführt werden kann.

Zyklus mit Luft-Dampf-Gemisch

Wie wir gesehen haben, beinhaltet der Überdruckzyklus den strategischen Einsatz von Druckluft während der Kühlphase, um die Verdunstung von Flüssigkeiten in teilweise oder vollständig geöffneten Behältern zu verhindern. Für die Sterilisation von hermetisch verschlossenen Gegenständen muss jedoch ein anderer Zyklus, der so genannte gemischte Luft-Dampf-Zyklus, verwendet werden.

Der Grund dafür ist, dass der Innen- und Außendruck des Behälters unbedingt ausgeglichen werden muss, um eine Verformung oder einen Bruch aufgrund der thermischen Ausdehnung des Inhalts zu verhindern, wenn dieser auf Temperaturen über 120ºC erhitzt wird.

Wie in der Grafik zu sehen ist, sorgt das Einblasen von Druckluft in die Kammer während der Sterilisationsphase dafür, dass kein übermäßiger Druckunterschied zwischen dem Innendruck des Behälters und dem der Kammer entsteht.

Wie Sie jedoch wissen, wenn Sie unseren Blog aufmerksam gelesen haben, wirkt die Einführung von kalter Luft in die Kammer als Wärmeisolator und erschwert den Zugang von Dampf zur Ladung. Das liegt daran, dass die meisten Gase, aus denen Luft besteht, wie Stickstoff oder Kohlendioxid, nicht kondensierbare Gase sind.

Diese Gase verhindern, dass der Dampf auf der Oberfläche der Ladung kondensiert, behindern die Wärmeübertragung vom Dampf auf die Ladung und verlangsamen so die Erwärmung der Ladung und verringern die Effizienz des Sterilisationsprozesses. Daher muss jeder Autoklav, der Luft-Dampf-Mischzyklen durchführt, von einem guten Homogenisierungssystem begleitet werden, das eine gute Stabilität der Temperatur und Homogenität an allen Punkten der Ladung ermöglicht.

Diese Systeme verwenden Techniken, die die Atmosphäre oder sogar die Fracht selbst mechanisch aufwirbeln. Beispiele für diese Systeme sind Radialventilatoren oder Rührwerke.

Nach dem Ende der Sterilisationsphase wird wie beim Überdruckzyklus ebenfalls ein hoher Druck in der Kammer aufrechterhalten, um die strukturelle Integrität der Ladung zu schützen, während die Temperatur und damit der Innendruck sinkt.

Wie beim Überdruckzyklus wird auch der Dampf-Luft-Mischzyklus in der Regel von einem Schnellkühlsystem begleitet. Der Unterschied zum Überdruckzyklus besteht darin, dass bei hermetisch verschlossenen Behältern das Schnellkühlsystem in der Regel die direkte Einspritzung von kaltem Wasser in das Innere der Kammer ist. Dies ist in der Lebensmittelindustrie sehr häufig der Fall, wo Kaltwassertauchlösungen durch Duschen oder Sprühen zur Verarbeitung von Konserven oder Beuteln eingesetzt werden.

Ein praktisches Beispiel, das die Notwendigkeit eines solchen Zyklus sehr gut veranschaulicht, ist der Fall der Sterilisation von vorgefüllten Spritzen. Während der Sterilisationsphase könnte die in der Spritze enthaltene Flüssigkeit ohne angemessene Druckunterstützung bei Erreichen der Temperatur von 121°C den Kolben aufgrund des während dieser Phase entstehenden Innendrucks herausdrücken. Umgekehrt könnte der Druck in der Kammer während der Abkühlphase, wenn er nicht kontrolliert wird und allmählich abnimmt, irgendwann den Innendruck im Kolben übersteigen und ihn nach innen drücken, was zum Bruch der Spritze führen und sie unbrauchbar machen würde. Es ist daher unbedingt erforderlich, dass die Druckluft in beiden Phasen des Zyklus sorgfältig verwendet wird, damit der Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Spritze zu keinem Zeitpunkt zu groß ist.

Praktische Anwendungen des druckunterstützten Zyklus

Wie wir gesehen haben, sind druckunterstützte Zyklen in einer Vielzahl von Industrien für die Verarbeitung einer breiten Palette von Produkten unerlässlich. In der pharmazeutischen Industrie sind sie entscheidend für die Verarbeitung von vorgefüllten Spritzen, Flaschen mit Lösungen und anderen verpackten Produkten, die sich ohne angemessene Druckkontrolle verformen oder zerbrechen könnten. Die Integrität der Behälter ist entscheidend, um die Sterilität des Endprodukts zu gewährleisten und eine Kontamination zu vermeiden, die schwerwiegende Folgen für die Gesundheit der Patienten haben könnte.

Im Lebensmittelsektor sind druckunterstützte Zyklen für die Sterilisation von Konserven und verpackten Produkten unerlässlich. Wenn diese Produkte während der Sterilisation hohen Temperaturen ausgesetzt werden, kann es zu Verformungen oder sogar zum Bruch der Behälter kommen, wenn der Innen- und Außendruck nicht richtig ausgeglichen ist. Insbesondere Luft-Dampf-Mischzyklen, die mit einer schnellen Abkühlung einhergehen, sind bei der Sterilisation von Produkten wie Soßen, Pasteten oder Fertiggerichten weit verbreitet, bei denen es darauf ankommt, sowohl die Qualität der Verpackung als auch des Inhalts zu erhalten.

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich sind Forschungs- und klinische Labore. Labormaterialien, wie z.B. Kulturmedien in Flaschen, erfordern Sterilisationszyklen mit Überdruck, um einen Volumenverlust durch Verdunstung zu vermeiden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass druckunterstützte Zyklen eine vielseitige und effektive Lösung für eine breite Palette von Anwendungen darstellen. Sie ermöglichen die Sterilisation von druckempfindlichen Produkten, ohne deren strukturelle Integrität oder Inhalt zu beeinträchtigen. Die Wahl des geeigneten Zyklus hängt von der Art des zu sterilisierenden Materials, der Art des Behälters und den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Prozesses ab.

Überlegungen zur Sicherheit und Wirksamkeit

Der Einsatz von druckunterstützten Zyklen in Autoklaven zielt nicht nur darauf ab, die Effizienz des Sterilisationsprozesses zu verbessern, sondern ist auch eng mit Sicherheits- und Qualitätsüberlegungen verbunden. Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass die ausgewählten Zyklen und die verwendeten Parameter für die spezifischen Materialien und Beladungsbedingungen geeignet sind. Dazu gehört eine gründliche Validierung des Prozesses für jede Art von Material und Beladungskonfiguration.

Die Sicherheit beim Betrieb von Autoklaven ist ein Hauptanliegen. Das Einblasen von Druckluft und die Handhabung hoher Drücke müssen sorgfältig gesteuert werden, um Risiken wie das Zerbrechen von Behältern, Explosionen oder strukturelles Versagen der Ausrüstung zu vermeiden. Die Kontroll- und Überwachungssysteme des Autoklaven müssen so konzipiert sein, dass jede Abweichung von den festgelegten Parametern erkannt und korrigiert werden kann, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Vom Standpunkt der Effizienz aus gesehen ist die richtige Verteilung von Wärme und Druck innerhalb der Sterilisationskammer entscheidend, um sicherzustellen, dass die gesamte Ladung die notwendige Behandlung erhält, um Sterilität zu erreichen. Homogenisierungs- und mechanische Rührsysteme, wie z.B. Radialventilatoren, sind für die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Atmosphäre innerhalb der Kammer unerlässlich. Diese Systeme müssen regelmäßig gewartet werden, um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten.

Außerdem ist es wichtig, die Auswirkungen der Druckunterstützung und der Sterilisationszyklen mit schneller Kühlung auf die Umwelt zu berücksichtigen. Der Einsatz großer Mengen an Wasser zur Kühlung der Ladung kann erheblich sein. Daher ist die Optimierung dieser Zyklen zur Minimierung des Ressourcenverbrauchs ohne Beeinträchtigung der Prozesseffizienz eine wichtige Überlegung für einen nachhaltigen Betrieb.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass druckunterstützte Zyklen in Autoklaven eine fortschrittliche Lösung für die Sterilisation von druck- und temperaturempfindlichen Produkten darstellen, die Effizienz und Sicherheit miteinander verbindet. Die korrekte Implementierung und Verwaltung dieser Zyklen erfordert ein gründliches Verständnis der beteiligten physikalischen und chemischen Prinzipien sowie ein Engagement für Qualität und Betriebssicherheit.