DE19807742A1 - Vorrichtung zum Sterilisieren eines Behälters mittels eines Niederdruck-Plasmas - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Sterilisieren von Metalldosen mittels eines Niederdruck-Plasmas. Der hierfür erforderliche Reaktor ist durch zwei ineinandergesteckte Elektroden gebildet, die zwischen sich einen Ringspalt zur Aufnahme des Behältermantels belassen. Die Metalldose ist elektrisch leitend mit der äußeren Elektrode verbunden. Dadurch kann das sterilisierende Plasma zwischen der inneren Elektrode und den Innenflächen der Metalldose gezündet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sterilisieren der Innenflächen eines Behälters, der eine Füllöffnung und eine Wandung mit zumindest einer elektrisch leitfähigen Schicht aufweist, mit einem den Behälter aufnehmenden Reaktor zum Erzeu­ gen eines Niederdruck-Plasmas, mit einer an den Reaktor ange­ schlossenen Vakuumpumpe, mit einer in den Reaktor mündenden Zuleitung für zu ionisierendes Gas, mit einer durch die Füllöff­ nung in den Behälter einführbaren ersten Elektrode, mit einer außerhalb des Behälters befindlichen zweiten Elektrode sowie mit einem an eine der Elektroden angeschlossenen Hochfrequenz-Gene­ rator.

Durch die Fig. 3 des US-Patentes 3,701,628 ist es bekannt, einen in einem Reaktor befindlichen Behälter mittels eines Niederdruck- Plasmas zu sterilisieren. Die elektrisch leitfähigen Metallwan­ dungen des Reaktors dienen als geerdete Elektrode. Die andere, an eine Hochfrequenzspannung angeschlossene Elektrode ist durch eine Behälteröffnung in das Innere des Behälters einführbar. Der an sich dielektrische Mantel des Behälters, zum Beispiel eines Milchkartons, kann aus einem Schichtmaterial bestehen, von dem eine Schicht elektrisch leitfähig ist. Der Behälter selbst steht auf einer isolierten Plattform.

Die sterilisierende Wirkung des zu zündenden Plasmas beruht sowohl auf einer mechanischen Zerstörung der Keime durch Ionen­ beschuß als auch auf einer chemischen Zerstörung. Um die Ionen auf hohe Beschußenergien zu beschleunigen, ist eine möglichst große Potentialdifferenz zwischen Plasma und Behälter nötig. Da sich der Behälter bei der bekannten Vorrichtung isoliert zwischen den Elektroden befindet, lädt sich die zu sterilisierende Wandung auf das gegenüber dem Plasma negativere sogenannte Floating- Potential auf. Die dabei entstehende Potentialdifferenz von einigen Volt ist recht gering und kaum beeinflußbar, der Wir­ kungsgrad somit nicht besonders gut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung so abzuwandeln, daß solche Behälter mit erheblich verbessertem Wirkungsgrad sterilisiert werden können, bei denen die Wandung ganz oder überwiegend elektrisch leitfähig ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die leitfähige Schicht der Wandung des Behälters elektrisch leitend mit der zweiten Elek­ trode verbunden ist.

Bei einer solchen Ausgestaltung wird die leitfähige Schicht, im Sonderfall die komplette Wandung, selber zur zweiten Elektrode. Dadurch werden die Innenflächen des Behälters für sich periodisch wiederholende Zeitspannen mit einem negativen Potential beauf­ schlagt, welches das erwähnte Floatingpotential betragsmäßig um ein bis zwei Zehnerpotenzen übersteigt. Diese stark erhöhte Potentialdifferenz läßt sich für einen verstärkten Ionenbeschuß dann nutzbar machen, wenn die zu sterilisierende Wandung zur zweiten Elektrode wird. Sofern die zweite Elektrode geerdet ist, tritt diese stark erhöhte Potentialdifferenz während der posi­ tiven Halbwelle der Hochfrequenzspannung auf.

Obwohl der Metallbehälter im Innern eines Reaktors angeordnet ist, wird durch die genannte Maßnahme der Metallbehälter gleich­ sam selbst zu einem Reaktor, wobei der Mantel innen und außen vom Vakuum umgeben ist. Dadurch lassen sich Beeinträchtigungen der Formstabilität des Behälters vermeiden.

Häufig ist der metallene Mantel von Behältern, beispielsweise von Metalldosen, außen mit einer nichtleitenden Schicht überdeckt, welche zu Werbezwecken bedruckt ist. In einem solchen Fall ist jedoch der leitfähige Mantel leitfähig mit dem Boden des Behäl­ ters verbunden. In Ausgestaltung der Erfindung kann somit vorge­ sehen sein, daß die leitfähige Schicht des Mantels über den leitfähigen Boden des Behälters mit der zweiten Elektrode ver­ bunden ist. Dies kann beispielsweise so geschehen, daß die zweite Elektrode einen entsprechenden Boden aufweist, auf den der Behälter gestellt ist. Alternativ kann natürlich der Mantel unterhalb der bedruckten Schicht von der zweiten Elektrode kontaktiert werden. Im Falle von Aluminiumbehältern, die im allgemeinen von einer nichtleitenden Oxidschicht überzogen sind, muß durch die nichtleitende Schicht hindurch kontaktiert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die zweite Elektrode den Mantel des Behälters zumindest im Bereich seiner Füllöffnung von außen umgibt. Dadurch kann sich das Plasma im Bereich der Füllöffnung auch auf die Außenflächen erstrecken und diese dort sterilisieren. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können gegebenenfalls einen größeren Ring­ spalt miteinander bilden, in welchem sich der Mantel des Behäl­ ters befindet. Das Plasma wird dabei zwischen den Innenflächen des Behälters und der ersten Elektrode gezündet, so daß vorrangig die Innenflächen des Behälters sterilisiert werden. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann der Reaktor im wesentlichen nur durch die zwei Elektroden gebildet sein.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann an die mit dem Hochfrequenz-Generator verbundene Elektrode eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sein. Mit dieser lassen sich die Potentialverhältnisse derart beeinflussen, daß eine um den Betrag der Gleichspannung erhöhte Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und der zu sterilisierenden Wandung des Behälters abfällt. Je nachdem, welche der zwei Elektroden an den Hochfrequenz-Gene­ rator angeschlossen ist, muß diese Gleichspannung positiv oder negativ sein. Daraus resultiert eine im zeitlichen Mittel deut­ lich erhöhte Beschußenergie der Ionen, was kürzere Behandlungs­ zeiten zur Folge hat. Die Entkeimungseffizienz des Plasmas kann somit aktiv eingestellt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die erste Elektrode an einen Hochfrequenz-Generator angeschlossen ist,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die zweite Elektrode an einen Hochfrequenz-Generator angeschlossen ist.

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient dem Sterili­ sieren von Behältern 1 mittels eines Niederdruck-Plasmas. Die Behälter 1 haben Innenflächen 2, die in der Regel mit einer Lackierung 21 versehen sind, eine Füllöffnung 3 sowie einen elektrisch leitfähigen Boden 4. Der Mantel 5 kann, abgesehen von der Lackierung 21, entweder zur Gänze oder überwiegend ebenfalls elektrisch leitfähig sein, beispielsweise besitzt er eine elek­ trisch leitfähige tragende Schicht 6 sowie eine äußere nichtlei­ tende Schicht 7, die zu Werbezwecken bedruckt sein kann. Die elektrisch leitfähige Schicht 6 des Mantels 5 ist mit dem Boden 4 elektrisch leitend verbunden. Beim Behälter 1 kann es sich beispielsweise um eine Metalldose handeln, wie sie für Bier oder andere Getränke verwendet wird.

Der zu sterilisierende Behälter 1 ist im Inneren eines Reaktors 8 aufgenommen, der im vorliegenden Fall im wesentlichen durch eine erste (innere) Elektrode 9 und eine zweite (äußere) Elektrode 10 gebildet wird. Die erste Elektrode 9, die durch die Füllöffnung 3 hindurch in den Behälter 1 einführbar ist, ist in noch zu be­ schreibender Weise an eine Wechselspannung angeschlossen. Die zweite Elektrode 10, die selbst behälterartig ausgebildet sein kann, ist geerdet und umgibt den Mantel 5 und den Boden 4 des Behälters 1 komplett, bildet also somit eine Wandung des Reaktors 8.

Die zwei Elektroden 9 und 10 sind unter Zwischenschaltung einer Ringdichtung 12 bei Betrieb teleskopartig ineinandergeschoben. Sie können entsprechend den Pfeilrichtungen A und B zum Einführen eines Behälters 1 auseinanderbewegt und anschließend wieder dichtend verschlossen werden. Das Vakuum befindet sich somit auf beiden Seiten des Mantels 5, obwohl sich das sterilisierende Plasma im wesentlichen nur zwischen dem Mantel 5 und der ersten Elektrode 9 bildet, so daß die Innenflächen 2 des Behälters 1 sowie dessen Außenflächen im Bereich der Füllöffnung 3 sterili­ siert werden.

Der Boden der behälterartig ausgebildeten zweiten Elektrode 10 besitzt eine Auflagefläche 13, auf welcher der Boden 4 des Behälters 1 elektrisch leitend abgestützt ist. Auf diese Weise wird die elektrisch leitfähige Schicht 6 des Mantels 5 zu einer Verlängerung der zweiten Elektrode 10 und bildet selbst eine Elektrode. Obwohl also der Reaktor 8 eigentlich durch die Elek­ troden 9 und 10 gebildet ist, ist bezüglich des gezündeten Plasmas der eigentliche Reaktor der Ringraum 11 zwischen den Innenflächen 2 des Behälters 1 und den Außenflächen der ersten Elektrode 9.

Der Reaktor 8 ist durch ein elektrisch isolierendes Verschluß­ stück 14 dichtend verschlossen. In den Reaktor 8 mündet eine Saugleitung 15, die unter Zwischenschaltung eines Ventils 22 an eine Vakuumpumpe 16 angeschlossen ist. Die Vakuumpumpe 16 ist für Betriebsdrücke zwischen 1 und 100 Pa ausgelegt. Niedrige Drücke des zu zündenden Plasmas bedeuten gleichzeitig niedrige Behand­ lungstemperaturen.

In den Reaktor 8 mündet weiterhin eine Zuleitung 17 für zu ionisierendes Gas. Der Zustrom des Gases wird durch ein Drossel­ ventil 18 geregelt. Als Gase werden beispielsweise Wasserstoff oder Helium verwendet, da diese die leichtesten und kleinst­ möglichen Ionen haben und eine hohe Ionisationsenergie aufweisen. In Betracht kommt auch Wasserstoffperoxid, da es durch Bilden mikrobizid wirkender Radikale den Sterilisationseffekt erhöht.

Die im Reaktor 8 befindlichen Mündungen der Saugleitung 15 und der Zuleitung 17 sind vorzugsweise jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Netz 26 bzw. 27 abgedeckt, dessen Maschenweite so klein ist, daß es für Gas zwar durchlässig, für Plasma jedoch undurchlässig ist. Dadurch wird wirksam verhindert, daß das Plasma auf die Anschlüsse der Saugleitung 15 und der Zuleitung 17 brennt oder daß das Plasma bei einem eventuellen Pumpen abgesaugt wird.

Die erste Elektrode 9 ist an einen Hochfrequenz-Generator 19 angeschlossen, der beispielsweise für 13,56 MHz ausgelegt ist. Die Wechselspannung wird dabei über ein Anpaßnetzwerk 20 an das zu bildende Plasma übertragen.

Bei dem in wesentlichen aus Metall bestehenden Behälter 1 geht es vorrangig um das Sterilisieren der Innenflächen 2 des Mantels 5 und der Innenflächen des Bodens 4. Im Bereich der Füllöffnung 3 soll jedoch auch ein kleiner Teil der Außenflächen des Behälters 1 sterilisiert werden, was durch die dargestellte Anordnung der Elektroden 9 und 10 möglich ist. Man erkennt, daß die Elektroden 9 und 10 den oberen Rand des Behälters 1 nach oben hin etwas überragen, so daß auch in diesem Bereich 23, also an der Ober­ kante des Mantels 5, ein Plasma gezündet wird.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung beruht darauf, daß die leitfä­ hige Schicht 6 des Mantels 5 elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode 10 verbunden ist und somit selbst zu einer Elektrode wird. Dadurch bildet die elektrisch leitfähige Schicht 6 keine Sperre zwischen den Elektroden 9 und 10, sondern bildet selbst eine mit der ersten Elektrode 9 zusammenwirkende Elektrode. Dies hat weiterhin zur Folge, daß das Plasma im wesentlichen nur in dem Ringraum zwischen dem Mantel 5 und der ersten Elektrode 9 gezündet wird, wodurch der Behälter 1 gleichsam den eigentlichen Reaktorraum bildet. Dadurch aber, daß der Mantel 5 innen und außen von Niederdruck umgeben ist, wird die Formstabilität des Behälters 1 in keiner Weise beeinträchtigt.

Wie strichpunktiert angedeutet, kann die an den Hochfrequenz- Generator 19 angeschlossene erste Elektrode 9 zusätzlich an eine Gleichspannungsquelle 25 mit positiver Gleichspannung ange­ schlossen sein. Ihr ist eine Spule 24 zugeordnet. Der einstell­ bare Betrag der Gleichspannung erhöht die Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und den Innenflächen 2 des Behälters 1.

Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß der Hochfrequenz- Generator 19 über das Anpaßnetzwerk 20 nicht an die erste Elek­ trode 209, sondern an die zweite Elektrode 210 angeschlossen ist. Zusätzlich kann an die Elektrode 210 wieder über eine Spule 24 eine nur strichpunktiert dargestellte Gleichspannungsquelle 25 angeschlossen sein, deren Gleichspannung in diesem Falle negativ sein muß.

Auch gemäß Fig. 2 wird der Reaktor 208 im wesentlichen nur durch die zwei Elektroden 209 und 210 gebildet. Im Bereich der Füll­ öffnung 3 des Behälters 1 ist die äußere Elektrode 210 mit einem Isolator 214 versehen, der die Elektrode 210 gegenüber der Elek­ trode 209 isoliert.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Sterilisieren der Innenflächen eines Behäl­ ters, der eine Füllöffnung und eine Wandung mit zumindest einer elektrisch leitfähigen Schicht aufweist, mit einem den Behälter aufnehmenden Reaktor zum Erzeugen eines Niederdruck-Plasmas, mit einer an den Reaktor angeschlossenen Vakuumpumpe, mit einer in den Reaktor mündenden Zuleitung für zu ionisierendes Gas, mit einer durch die Füllöffnung in den Behälter einführbaren ersten Elektrode, mit einer außerhalb des Behälters befindlichen zweiten Elektrode sowie mit einem an eine der Elektroden angeschlossenen Hochfrequenz-Generator, dadurch gekennzeichnet, daß die leit­ fähige Schicht (6) der Wandung (4, 5) des Behälters (1) elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode (10; 210) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (6) über einen leitfähigen Boden (4) des Behälters (1) mit der zweiten Elektrode (10; 210) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (10) einen Mantel (5) des Behälters (1) zumindest im Bereich seiner Füllöffnung (3) von außen umgibt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reaktor (8) im wesentlichen nur durch die zwei Elektroden (9, 10; 209, 210) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die mit dem Hochfrequenz-Generator (19) verbun­ dene Elektrode (9; 210) eine Gleichspannungsquelle (25) ange­ schlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die im Reaktor (8; 208) befindlichen Mündungen einer an die Vakuumpumpe (16) angeschlossenen Saugleitung (15) und/oder der Zuleitung (17) für das zu ionisierende Gas mit einem plasma-undurchlässigen leitfähigen Netz (26, 27) abgedeckt sind.