Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Konzentration von Wasserstoffperoxid (H2O2) in der Gas- oder Dampfphase mit wenigstens einem Sensor, der mit dem zu untersuchenden Medium in unmittelbaren Kontakt gebracht wird.

Zur Sterilisation und Desinfektion in der Gasphase bzw. in Flüssigkeiten eignen sich reaktive Substanzen, insbesondere Wasserstoffperoxid, da hiermit eine vollständige Benetzung des Sterilisations- bzw. Desinfektionsgutes gewährleistet ist. Zur optimalen Sterilisation bzw. Desinfektion mit beispielsweise Wasserstoffperoxid aus der Gasphase wird häufig ein Aerosol aus Luft und Wasserstoffperoxid erhitzt, wobei das Wasserstoffperoxid in die Gasphase übergeht oder das flüssige Wasserstoffperoxid verdampft wird, welches dann mit einem Luftstrom vermischt wird. Danach kommt der gasförmige Strom direkt in Kontakt mit dem zu sterilisierenden Medium. Die erfolgreiche Sterilisation bzw. Desinfektion wird einerseits durch die Temperatur des Sterilisations- bzw. Desinfektionsgemisches und andererseits durch die entstehenden OH-Radikale gewährleistet. Das Sterilisations- bzw.

Desinfektionsverfahren mit beispielsweise in der Gasphase auftretendem Wasserstoffperoxid wird heutzutage unter anderem für Nahrungsmittelverpackungen, medizinische Geräte, medizinische Verpackungen, pharmazeutische

Produkte und Verpackungen generell verwendet. Ein enormer Vorteil dieser „Gasphasensterilisation bzw. - desinfektion" liegt in der einfachen Entfernung von Resten des Sterilisationsmittels mit Heißdampf.

Ein prinzipielles Problem bei solchen Sterilisationsbzw. Desinfektionsprozessen besteht darin, dass die Effektivität der Sterilisations- oder

Desinfektionsprozedur unter anderem entscheidend von Parametern, wie der Kontaktzeit, der Temperatur, der Vorbehandlung des Gutes und der Anfangskonzentration an Wasserstoffperoxid zusammenhängen. Daher ist es erforderlich, die qualitative und quantitative Erfassung der Wasserstoffperoxidkonzentration unmittelbar vor Kontakt mit dem eigentlichen Sterilisations- bzw. Desinfektionsgut zu ermöglichen, um eine möglichst exakte Einstellung der Wasserstoffperoxidkonzentration nach dem Sterilisations- bzw. Desinfektionsvorgang am Gut zu gewährleisten .

Neben amperometrischen und potentiometrischen Detektions- Verfahren zum Nachweis der H ₂ C> ₂ -Konzentration in Flüssigkeiten unter zu Hilfenahme von Enzymen (z.B. Katalase und Meerettich-Peroxidase) , speziellen Membranen (z.B. Nafion, poly-HEMA) oder porösen Materialien (z.B. Festkörperelektrolyte, nanostrukturiertes Silizium) , existieren Nachweis-Verfahren wie die Titration, die Teststreifen-Photometrie, Halbleitergassensoren und die NIR-Spektroskopie zur Bestimmung der Wasserstoffperoxidkonzentration in der Gasphase.

Bei dem Titrationsverfahren muss beispielsweise eine definierte Menge Gas angesaugt und gekühlt werden, welches dann in eine Glasfritte geleitet wird, in der

eine definierte Menge bidestilliertes Wasser vorgelegt ist. Nach dieser „Gaswäsche" wird die entstandene Lösung mit 20%-iger Schwefelsäure versetzt. Nach Zugabe einer bestimmten Menge Kaliumjodid- und Ammonium-Molybdän- Lösung wird unter Zugabe von Natriumthiosulfatlösung nach „farblos" titriert. Nach einer sich daraus ergebenden Gleichung lässt sich dann die Masse an Wasserstoffperoxid in der Lösung berechnen. Mit dieser Masseangabe lässt sich die Konzentration im angesaugten Gas berechnen. Nachteilig an diesem Verfahren ist der relativ hohe apparative Aufwand sowie die „off-line"-Methodik, die keine kontinuierliche Erfassung der Wasserstoffperoxidkonzentration zulässt (Forschungsprojekt: „Haltbarkeitsverlängerung von Milchprodukten durch Optimierung der Keiminaktivierung im Lebensmittel und auf Packstoffen", Technische Universität München, 2004) .

Eine weitere Variante beschreibt eine Vorrichtung zur „on-line"-Ermittlung der Konzentration von Wasserstoffperoxiddampf während der Sterilisation bzw. Desinfektion. Sie basiert auf dem Einsatz von bekannten Metall-Oxid-Halbleiter-Sensoren (z.B. von kommerziell erhältlichen Snθ ₂ -Gas-Sensoren oder Sensoren auf der Basis von TiO ₂ , Fe ₂ O ₃ , ZnO, etc.) [DE 198 55 120 Al; US Patent 5 608 156; I. Taizo, A. Sinichi, K. Kawamura, J. Pharmaceutical Sei. Technol . , 52 (1998) 13]. Bei solchen Halbleitergassensoren reagiert ein beheizter Halbleiter, der auf 200 bis 400 ⁰ C Betriebstemperatur aufgeheizt wird, auf reduzierende bzw. oxidierende Gase mit einer Leitfähigkeitsveränderung. Diese Leitfähigkeitsänderung kann z.B. als Spannungssignal ausgelesen werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass das Sensorsignal stark von der Luftfeuchtigkeit und der

Temperatur des Analyten abhängt und mit einem Satz zuvor aufgenommener und bestimmter Korrelationsdaten korrigiert werden muss. Ein solcher Sensor ist folglich nur dann einsetzbar, wenn die Umgebungsvariablen Temperatur und Luftfeuchte bekannt bzw. konstant und/oder separat mit Sensoren anderer Bauart und damit verbundenen anderen Messsignalen, gemessen werden. Damit ist die Verwendung einer aufwändigeren Messelektronik verknüpft. Weiterhin ist bei der vorgeschlagenen Anordnung nicht bekannt, wie sich die Strömungsgeschwindigkeit auf das Sensorsignal auswirkt .

Eine weitere Methode repräsentiert die Nah-Infrarot (NIR) - Spektroskopie, bei der ein Lichtstrahl bekannter Wellenlänge und Intensitätsverteilung durch den zu untersuchenden Analyten geleitet wird und dann von einem Detektor in der Art aufgenommen wird, dass die Absorption des Analyten berechnet werden kann. Dieses sehr schnelle Verfahren, welches eine sehr niedrige Nachweisgrenze aufweist, wird z.B. von der Firma GuidedWave in einem „H ₂ 0 ₂ -Vapor-Monitor" eingesetzt. Bei diesem Gerät wird das zu untersuchende Gas aus dem Prozess entnommen und dann in einer Messeinheit „off-line" vermessen. Nachteilig an diesem Verfahren ist allerdings die Notwendigkeit von einem hohen und konstenintensiven, apparativen Aufwand sowie der Bedarf an sehr langen Lichtwegen durch den Analyten (nicht selten 10 m) , so dass eine Integration in bestehende Prozessanlagen, die eine zusätzliche Sterilisations- bzw. Desinfektionseinheit beinhalten soll, erschwert wird und zudem eine kontinuierliche „online" Analytik schwer realisierbar macht.

Eine weitere Möglichkeit, um H ₂ O ₂ in der Dampfphase zu bestimmen, ist der Einsatz von Testpapier, bekannt als Teststreifen-Photometrie-Verfahren . Dieses Verfahren wird mittels eines Testpapiers durchgeführt, wobei das Testpapier mit einer Chemikalie speziell behandelt wurde, so dass es seine Farbe bei Kontakt mit H ₂ θ2-Dampf verändert. Durch die nachfolgende optische Farberkennung kann die Konzentration des H ₂ θ2-Dampfes ermittelt werden. Solche Chemoindikatoren oder Teststreifen können jedoch nur für jeweils einen Sterilisationsprozess als „disposable" Sensoren verwendet werden und stellen daher relativ teure Verbrauchsmaterialien dar. Zudem ist es mit ihnen nicht möglich, den Sterilisationsverlauf und somit die zeitabhängige Messung der verschiedenen Parameter bei der Sterilisation festzustellen. Ein weiterer Nachteil ist die Dauer des Farbänderungsprozesses (ca. 1-12 Min. [S. Corveleyn, G.M. R. Vandenbossche, J. P. Remon, Pharmaceutical Research, 14 (1997), 294; V.M. Ostrovskaya, Y.A. Zolotov, A.V. Davydov, J. Anal. Chem. 54 (1999), 764], d.h. die Anpsrechzeit sowie die Tatsache, dass diese Sensoren nicht bei erhöhter Betriebstemperatur (> 100 ⁰ C) eingesetzt werden können und dass meistens der erforderliche Konzentrationsbereiche nicht erreiciht wird..

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zur Detektion von Wasserstoffperoxid in der Gas- oder Dampfphase zu verringern oder zu vermeiden. Eine entsprechende Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Detektion von Wasserstoffperoxid sollen

- in dampfhaltigen bzw. gasförmigen Medien eingesetzt werden können,

- „on-line" in den Prozessablauf der Desinfektion bzw. Sterilisation eingebunden werden können,

- den Nachweis der Wasserstoffperoxidkonzentration auch bei erhöhten Temperaturen, insbesondere zwischen

100 ⁰ C und 300 ⁰ C ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß der Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 5. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei unterschiedlichen Transducervarianten zum Nachweis der Wasserstoffperoxidkonzentration in der Dampfphase näher beschrieben:

Variante 1 :

Ein mögliches Transducerprinzip stellt die Verwendung eines katalytisch aktiven Materials wie beispielsweise Platin, Kupfer, Kupfer-Nickelverbindungen, Rhodium, Rhutenium, Hexacyanoferraten etc., insbesondere einer manganhaltigen Verbindung, in Kombination mit einem physikalischen Sensor dar. Dieser als Detektor eingesetzte physikalisch Sensor kann beispielsweise ein Thermoelement, Widerstandsthermometer, Thermistor, Pellistor, NTC, PTC, etc. sein, insbesondere jedoch ein edelstahlummanteltes Thermoelement oder

Widerstandsthermometer. Das katalytisch aktive Material wird hierfür auf dem physikalischen Transducer abgeschieden oder aufgebracht. Die Abscheidung bzw. Bindung des katalytisch aktiven Materials kann physikalischer oder chemischer Natur sein.

So kann beispielsweise das katalytisch aktive Material aus der Gasphase mit bekannten CVD- und/oder PVD- Verfahren abgeschieden werden. Daneben können generell Verfahren der Dünnschicht- oder Dickschichttechnik verwendet werden. Alternativ kann die Abscheidung des katalytisch aktiven Materials aus einer Flüssigkeit, z.B. als Precipitation, erfolgen oder mittels herkömmlicher fertigungstechnischer Methoden wie Kleben, Löten, Schweißen oder dgl . befestigt werden.

Gelangt nun ein exotherm reagierendes Gas an die Oberfläche des katalytisch aktiven Materials, wird die Dissoziationsenergie herabgesetzt, so dass beispielsweise Wasserstoffperoxid schon bei Raumtemperatur zerfallen würde. Durch diesen Zerfall wird Wärme freigesetzt, die eine Temperaturerhöhung an dem als physikalischen Transducer fungierenden Temperatursensor bewirkt. Diese Temperaturerhöhung kann direkt in Form einer Widerstands- , Spannungs-, Stromänderung oder in einer Änderung der Leistungsaufnahme des Detektors erfasst werden und qualitativ bzw. (über eine Kalibrierung) quantitativ der vorhandenen Wasserstoffperoxidkonzentration zugeordnet werden. Ein großer Vorteil dieser Methode ist die hohe Temperaturbeständigkeit der verwendeten kataltischen Schicht, d.h. der Detektor kann auch bei erhöhten Prozesstemperaturen während der Sterilisation in Echtzeitbetrieb eingesetzt werden. Weiterhin beeinflussen Temperaturschwankungen im Analyten nicht die durch die katalytische Reaktion hervorgerufene exotherme Reaktion und damit die Empfindlichkeit des Sensors .

Variante 2 :

Ein weiterer möglicher Ansatz stellt die Verwendung eines kalorimetrischen Gassensors, wie beispielsweise eines Pellistors, NTC, PTC, etc., insbesondere eines Hitzdrahtsensors, der trotz oder aufgrund seiner unzureichenden Selektivität für die Detektion exotherm reagierender Gase geeignet ist, dar. Ein solcher kaloriemetrischer Sensor besteht aus einem beheizten Element, meist durch einen Stromfluss in einem Leiter realisiert, dessen Leitfähigkeit sich temperaturabhängig ändert. Sind unter Normalbedingungen in der Gasphase exotherm reagierende Gase stabil, findet an dem erhitzten Element ein Energieübertrag auf das einzelne Gasmolekül statt, welcher ausreicht, um das Molekül zum Zerfall anzuregen. Die bei dem exothermen Zerfall freiwerdende Wärme führt dann zu einer Temperaturerhöhung des beheizten Elements, was wiederum zu einer Leitfähigkeitsänderung dieses Elements führt. Diese Leitfähigkeitsänderung dient direkt als Messsignal und kann entsprechend der oben ausgeführten Varianten als Strom-, Spannungs-, Widerstands-, Leitfähigkeitsänderung oder als Änderung der Frequenz, der optischen Eigenschaften, der Signalform oder als Änderung der Leistungsaufnahme des Sensors detektiert werden. Da hier auf den zusätzlichen Einsatz eines Katalysators verzichtet wird, kann keine selektive Erfassung der Wasserstoffperoxidkonzentration erfolgen. Auf der anderen Seite ist es unter der Kenntnisnahme der exakten Prozessparameter während des Desinfektions- bzw. Sterilisationsprozesses möglich, eine indirekte qualitative und quantitative Kalibration der vorhandenen Wasserstoffperoxidkonzentration aufgrund eines fest vorgegebenen, definierten Parametersatzes durchzuführen.

Variante 3 :

Ein weiterer möglicher Ansatz beinhaltet die Verwendung von thermoelementartigen Anordnungen, deren Temperaturmessstelle mit dem zu untersuchenden Medium (H2O2) in unmittelbarem Kontakt ist. Handelt es sich bei einem der Metalle oder bei beiden Metallen der temperatursensitiven Metallpaarung der thermoelementartigen Anordnung um ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien, wie beispielsweise Fe/CuNi, NiCr/Ni, PtRh/Pt, NiCr/CuNi, IrRh/Ir, Wo/Ta, NiCrSi/NiSiMg, etc. insbesondere jedoch um Cu/CuNi, zerfällt aufgrund der katalytischen Wirkung das exotherm reagierende Gas und die dabei freiwerdende Wärmeenergie wird direkt als eine Temperaturerhöhung an dem Thermoelement detektiert. Diese Temperaturerhöhung kann direkt in Form einer Widerstands-, Leitfähigkeits-, Impedanz-, Spannungs-, Stromänderung oder in einer Änderung der Frequenz, der optischen Eigenschaften, der Signalform oder als Änderung der Leistungsaufnahme des Detektors erfasst werden und qualitativ bzw. (über eine Kalibrierung) quantitativ der vorhandenen Wasserstoffperoxidkonzentration zugeordnet werden. Ein großer Vorteil dieser Methode ist die hohe Temperaturbeständigkeit der verwendeten katalytischen Anordnung, d.h., der Detektor kann auch bei erhöhten Prozesstemperaturen während der Sterilisation im Echtzeitbetrieb eingesetzt werden. Weiterhin beeinflussen Temperaturschwankungen im Analyten nicht die durch die katalytische Reaktion hervorgerufene exotherme Reaktion und damit die Empfindlichkeit des Sensors .

Die oben genannten Lösungsansätze (Varianten) können einzeln, miteinander verknüpft in Form eines Arrays und/oder zusammen mit einem oder mehreren Temperatursensoren gleicher und/oder anderer Bauweise verwendet werden, um mögliche störende Einflüsse durch die Temperatur oder Feuchtigkeit des Analyten zu kompensieren .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung.

Beabstandet angeordnete Sensoren 1 und 2 der zuvor näher erläuterten und insofern besonders bevorzugten Varianten können nach Fig. 1 in einem an den Seiten ein- und/oder beidseitig geschlossenen, teilweise oder vollständig geöffneten Gefäß 3 angebracht sein. Hierbei stellt entweder 1 und/oder 2 einen beliebigen Sensor der vorgestellten Varianten dar. Darüber hinaus kann Sensor 1 oder 2 auch einen weiteren Temperatursensor darstellen. Die Sensoren sind in einem definierten Abstand, im Falle von Sensor 1 in einem definierten Li oder im Falle von

Sensor 2 in einem definierten Abstand von L ₂ von der Wand des Gefäßes 3 angebracht, bzw. ragen im dargestellten Falle von Sensor 1 mit der definierten Länge Li und von Sensor 2 mit der definierten Länge L ₂ in das Gefäß 3 hinein. Die Sensoren 1, 2 sind dabei in einem definierten Abstand voneinander entfernt angeordnet.

Gemäß Fig. 2 können die Sensoren 1' und 2' auch an einem an den Seiten ein- und/oder beidseitig geschlossenen, teilweise oder vollständig geöffneten Gefäß 3' angebracht sein. Die Sensoren 1', 2' befinden sich in Zellen 4 und/oder 5, die in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind, und die über eine (nicht dargestellte) Öffnung eines definierten Querschnittes, der einen Gasaustausch gewährleistet, mit dem Gefäß 3' verbunden sind.

Auch hier können Sensor 1' und/oder Sensor 2' einen Sensor weiter oben im Detail beschriebenen Varianten oder aber auch einen weiteren Temperatursensor darstellen, wie für Fig. 1 bereits beschrieben oder wie im folgenden zu Fig. 3 ausgeführt. Die Sensoren 1' und/oder 2' können deutlich in die Zellen 4 oder 5 hineinragen. Des weiteren kann eine Verbindung 6 mit einem definierten Querschnitt zwischen den Zellen 4 und 5 angebracht sein. Weiterhin können die Zellen zusätzlich mit (nicht dargestellten) Heizelementen oder Kanälen zur Beheizung ausgestattet sein.

Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform von Fig. 2 mit der Änderung, dass im Falle eines strömenden Mediums das Gefäß 3' ' über Einbauten 7 eine Veränderung des Durchmessers beinhaltet. Diese Veränderung des Durchmessers ist so aufgebaut, dass sich der Querschnitt

H des Gefäßes in definierter Weise auf den Querschnitt Hi im Bereich der Zelle 4' und/oder auf den Querschnitt H ₂ im Bereich der Zelle der Zelle 5' verkleinert. In oder an den Querschnittsänderungen ist eine Öffnung 8 mit einem definierten Querschnitt Ai im Bereich der Zelle 4' bzw. mit einem definierten Querschnitt A ₂ im Bereich der Zelle 5' in der Art und Weise angebracht, dass ein Gasaustausch zwischen dem Gefäß 3'' und jeder Zelle 4', 5' stattfinden kann. Auch hier können die Zellen 4' und 5' wieder mit einem Verbindungskanal 6 miteinander in Verbindung stehen.

Ein weiteres, nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel berücksichtigt, dass neben den Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 2 oder 3 ein zusätzliches Referenzsystem mit dem gleichen Aufbau gemäß Fig. 1 und/oder 2 und/oder 3 aufgebaut wird, welches mit einem Referenzmedium beaufschlagt wird. Dies erfolgt in der Art und Weise, dass neben der Vorrichtung mit dem zu untersuchenden Medium eine weitere Vorrichtung der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und/oder 2 und/oder 3 aufgebaut ist, in oder durch welche ein Medium (z.B. Gasstrom) anderer Zusammensetzung geleitet wird, so dass aus den Messergebnissen beider Systeme ein Differenzsignal erfasst werden kann. Dabei kann die Referenzanordnung als separates System aufgebaut sein und/oder in die dargestellten Ausführungsformen integriert sein in der Art und Weise, dass ein beliebiger Sensor der geschilderten Varianten oder ein Temperatursensor mit einem Referenzgas beaufschlagt wird.