Dosier- und Versorgungssystem für Vorrichtungen zum H ₂ O ₂ -Sterilisieren von Packmitteln, Vorrichtung mit einem solchen Dosier- und Versorgungssystem sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dosier- und Versorgungssystem gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 , auf eine Vorrichtung zum H ₂ θ ₂ -Sterilisieren von Packmitteln gemäß Oberbegriff Patentanspruch 11 sowie auf ein Verfahren zum Betrieb oder zur Steuerung einer Vorrichtung zum H ₂ θ ₂ -Sterilisieren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 12.

"H ₂ O ₂ -Sterilisation" im Sinne der Erfindung bedeutet eine Sterilisation von Packmitteln unter Verwendung von Wasserstoffperoxid (H ₂ O ₂ ) enthaltenden Sterilisationsmediums, oder aber auch eines vollständig aus H ₂ O ₂ bestehenden Sterilisationsmediums (nachstehend auch H ₂ O ₂ -Sterilisationsmedium).

"Packmittel" im Sinne der Erfindung sind insbesondere Flaschen oder dergleichen Behälter, einschließlich KEGs, Dosen, Tuben, aber auch andere Verpackungen, wie z.B. Weichverpackungen oder Beutel, die vor dem Einbringen von Produkten, z.B. Lebens- oder Genussmittel, wie beispielsweise Getränken, oder Arzneimittel sterilisiert werden müssen.

Verfahren und Vorrichtungen zum Sterilisieren von Packmitteln unter Verwendung eines H ₂ O ₂ -Sterilisationsmediums, welches Wasserstoffperoxid in Mischung mit heißer steriler Luft enthält und in Behandlungsköpfen der jeweiligen Vorrichtung zur H ₂ O ₂ -Sterilisation gebildet wird, sind bekannt. Bei diesem Verfahren wird mit dem über den jeweiligen Behandlungskopf in das Packmittel eingebrachten heißen H ₂ O ₂ - Sterilisationsmedium an der Innenfläche des kühleren Packmittels durch Kondensation ein H ₂ O ₂ -Kondensationsfilm gebildet, der dann in einer darauffolgenden Aktivierungsphase durch Einbringen eines sterilen heißen gas- und/oder dampfförmigen Aktivierungsmediums, beispielsweise durch Einbringen von heißer steriler Luft aktiviert wird, sodass durch Zerfall von H ₂ O ₂ freie Sauerstoffradikale entstehen, die zur Sterilisation mit vorhandenen Keimen und Verunreinigungen reagieren.

Um eine H ₂ θ ₂ -Sterilisation mit hoher Qualität, d.h. mit hoher Entkeimungsrate insbesondere auch reproduzierbar durchzuführen und dabei den Verbrauch an Wasserstoffperoxid möglichst gering zu halten, ist eine genaue Dosierung der Wasserstoffperoxid-Zugabe bei der Bildung des H ₂ θ ₂ -Sterilisationmediums an den verwendeten Behandlungsköpfen notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dosier- und Versorgungssystem aufzuzeigen, welches eine optimale Wasserstoffperoxid-Dosierung mit reproduzierbaren Ergebnissen ermöglicht. Ebenfalls ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zum genauen Nachweis einer erfolgten Einbringung der vorgesehenen Menge an H ₂ O ₂ aufzuzeigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Dosier- und Versorgungssystem entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Vorrichtung für die Durchführung der H ₂ O ₂ -Sterilisation ist Gegenstand des Patentanspruchs 7. Ein Verfahren zum Betrieb bzw. zur Steuerung einer derartigen Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs 8.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in sehr vereinfachter Darstellung und in Draufsicht eine Maschine bzw. Vorrichtung zum H ₂ O ₂ -Sterilisieren von Packmitteln in Form von Flaschen;

Fig. 2 in vereinfachter Darstellung einen Behandlungskopf der Vorrichtung der Figur 1;

Fig. 3 in Funktionsdarstellung ein System zur dosierten Wasserstoffperoxid- Versorgung mehrerer Behandlungsköpfe der Vorrichtung gemäß Figur 1.

In den Figuren ist 1 eine Vorrichtung zum Behandeln bzw. Sterilisieren von Flaschen mit Wasserstoffperoxid (H ₂ O ₂ ). Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem

um eine vertikale Achse umlaufend angetriebenen Rotor 3, dem die zu behandelnden Flaschen 2 über einen Behältereinlauf 4 zugeführt werden und von dem die behandelten bzw. sterilisierten Flaschen 2 über einen Behälterauslauf 5 entnommen und einer weiteren Verwendung, beispielsweise einem Füller zum Füllen mit einem Füllgut zugeführt werden.

Am Umfang des Rotors 3 ist in gleichmäßigen Winkelabständen um die vertikale Maschinen- oder Rotorachse versetzt eine Vielzahl von Behandlungsköpfen 6 vorgesehen. Jedem Behandlungskopf ist am Rotor ein Flaschen- oder Behälterträger 7 zugeordnet, an dem die jeweilige Flasche 2 während der Behandlung unterhalb des Behandlungskopfes 6 gehalten ist, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform die als PET-Flaschen ausgebildeten Flaschen 2 an einem flaschenseitigen Mündungsflansch hängend.

Die Behandlung, d.h. die Sterilisation der Flaschen 2 erfolgt unter Verwendung des H ₂ θ ₂ -Sterilisationsmediums, welches in an sich bekannter Weise innerhalb einer in dem Behandlungskopf 6 gebildeten Mischkammer 6.1 durch Einsprühen von Wasserstoffperoxid, beispielsweise von 35-%igen Wasserstoffperoxid über wenigstens eine Mischdüse in sterile Luft zur Bildung eines Wasserstoffperoxid/Luft- Aerosols und durch anschließendes Erhitzen dieses Aerosols in einem Verdampfer 6.2 auf eine Temperatur von beispielsweise 145°C erzeugt wird. An der Mischkammer ist ein Anschluss 6.1.1 für die sterile Luft sowie ein weiterer Anschluss 6.1.2 für das Wasserstoffperoxid vorgesehen.

Für die Behandlung wird ein achsgleich mit der Achse der jeweiligen Flasche 2 angeordnetes Rohr 8 des Behandlungskopfes 6 in die Flasche 2 eingeführt und über dieses Rohr in einer Applikationsphase zunächst das heiße H ₂ O ₂ - Sterilisationsmedium in das innere der Flasche 2 eingebracht, und zwar derart, dass sich durch Kondensation an der Innenfläche der Flasche 2 ein H ₂ O ₂ - Kondensationsfilm bildet. Im Anschluss an diese Applikationsphase erfolgt in der Aktivierungsphase die Aktivierung des H ₂ O ₂ -Kondensationsfilmes durch Energieeintrag, und zwar z.B. durch Einleitung eines heißen, sterilen gas- und/oder dampfförmigen Mediums, beispielsweise durch Einleiten von heißer steriler Luft über das Rohr 8, so dass durch Zerfallreaktion oder Spaltung von H ₂ O ₂ freie Sauerstoff-

Radikale entstehen, die mit vorhandenen Keimen und/oder Verunreinigungen in der jeweiligen Flasche 2 reagieren und so deren Sterilisation bewirken.

Um einerseits den Verbrauch an Wasserstoffperoxid zu optimieren, andererseits aber eine Sterilisation mit hoher Qualität, d.h. mit hoher Entkeimungsrate reproduzierbar und nachweisbar zu erreichen, ist eine genaue und insbesondere auch eine reproduzierbare Dosierung der über den Anschluss 6.1.2 der jeweiligen Mischkammer 6.1 zugeführten Menge an Wasserstoffperoxid unerlässlich.

Die Figur 3 zeigt in vereinfachter Darstellung und als Blockdiagramm ein Versorgungs- und Dosiersystem zum Versorgen bzw. dosierten Zuführen von Wasserstoffperoxid an die einzelnen Behandlungsköpfe 6 der Vorrichtung der Figur 1 , wobei in der Figur 3 der einfacheren Darstellung wegen nur zwei Behandlungsköpfe 6 gezeigt sind.

Ein grundsätzliches Problem bei der dosierten Zuführung von Wasserstoffperoxid an die Behandlungsköpfe 6 ist, dass das H ₂ O ₂ als ein wenig stabiles Produkt bereits bei normaler Umgebungstemperatur ständig in Wasser und Sauerstoff zerfällt, wobei die Zerfallsrate durch eventuelle Druckänderungen und/oder Drückstöße in einem H ₂ O ₂ führenden System noch unkontrolliert gesteigert wird.

Nach einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis ist somit eine dosierte Zuführung von Wasserstoffperoxid aus einem Vorratsbehälter über dosierende Pumpen, z.B. Membranpumpen, mit hoher Dosiergenauigkeit nicht möglich, und zwar u.a. deswegen, weil sich durch den Zerfall des Wasserstoffperoxids in derartigen Pumpen, aber auch in Zuleitungen an bzw. von den Pumpen Sauerstoffblasen bilden, die eine genaue Dosierung nicht möglich machen.

Dieses Problem wird durch die Ausbildung des in der Figur 3 allgemein mit 9 bezeichneten Dosier- und Versorgungssystems gelöst. Das Dosier- und Versorgungssystem 9 umfasst u.a. einen Vorrats- oder Versorgungsbehälter 10, der bis zu einem vorgegebenen Niveau N ₁₀ niveaugesteuert mit dem Wasserstoffperoxid gefüllt ist, so dass im Vorratsbehälter 10 oberhalb des Niveaus Ni ₀ ein Gasraum und unterhalb des Niveaus Ni ₀ ein das Wasserstoffperoxid aufnehmender Flüssigkeitsraum gebildet ist.

Der Vorratsbehälter 10 ist über eine Versorgungsleitung 11 mit einem Steuerventil 12 an eine Wasserstoffperoxid unter Druck bereitstellende Quelle angeschlossen. Zur Erzeugung des Dosierdruckes ist der Gasraum des Vorratsbehälters 10 über eine Versorgungsleitung 13 mit einem Druckregelventil 14, beispielsweise mit einem rückwärts entlüftenden Druckminderventil an eine sterile Luft unter Druck bereitstellende Quelle angeschlossen.

In den Flüssigkeitsraum des Vorratsbehälters 10 münden mehrere Verbindungsleitungen 15, von denen jede über einen Durchflussmesser 16, beispielsweise über einen magnetisch induktiven Durchflussmesser und ein schnell schaltendes Dosierventil 17 an einen Behandlungskopf 6 bzw. an den Anschluss 6.1.2 der betreffenden Mischkammer 6.1 angeschlossen ist. Die Durchflussmesser 16 und die in Serie mit diesen angeordneten Dosierventile 17 bilden jeweils eine Mess- und Dosiereinheit 18, die für jeden Behandlungskopf 6 gesondert vorgesehen ist und deren Dosierventile 17 durch eine zentrale Steuereinrichtung 19 individuell steuerbar sind, und zwar u.a. in Abhängigkeit von dem vom zugehörigen Durchflussmesser 16 gelieferten elektrischen Messsignal.

Die Dosierventile 17 sind jeweils durch die Steuereinrichtung 18 zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand steuerbar, und zwar vorzugsweise impulsförmig, wobei die Dosierung dann beispielsweise durch eine Impulsbreitenmodulation der die Dosierventile 17 ansteuernden elektrischen Signale bzw. durch änderungen der Zeiten zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand gesteuert wird.

Um das Abspalten von Sauerstoff aus dem Wasserstoffperoxid und u.a. hieraus resultierende Fehler bei der Dosierung zu vermeiden, ist bei dem Dosier- und Versorgungssystem 9 die Wegstrecke für das Wasserstoffperoxid innerhalb der Mess- und Dosiereinheit 18 und dabei insbesondere zwischen dem jeweiligen Dosierventil 17 und der Mischkammer 6.1 bzw. der dortigen, dem Anschluss 6.1.2 zugeordneten wenigstens einen Mischdüse sehr kurz gehalten, um so auch eine sehr kurze, ein in schädlichem Umfang erfolgendes Abspalten von Sauerstoff verhindernde Verweildauer des Wasserstoffperoxids in der Mess- und Dosiereinheit 18 zu erreichen. Weiterhin sind aus gleichem Grund auch die Verbindungsleitungen 15 möglichst kurz und mit einem möglichst kleinen Innenquerschnitt ausgeführt.

Bevorzugt liegt die Länge der Verbindungsleitungen 15 im Bereich von etwa 1 ,5 - 2 m. Der Innenquerschnitt dieser Verbindungsleitungen beträgt dann beispielsweise etwa 1 ,5 mm. Dieser reduzierte Querschnitt ist bevorzugt in der gesamten steuerbaren Verbindung zwischen dem jeweiligen Behandlungskopf 6 und dem Vorratsbehälter 10 eingehalten ist, d.h. nicht nur in den Verbindungsleitungen 15, sondern auch an den Mess- und Dosiereinheiten 18 bzw. an den diese Einheiten bildenden Elementen. Durch diese oder andere Maßnahmen ist in Verbindung mit der periodischen Ansteuerung der Dosierventile 17 auch erreicht, dass im normen Betrieb der Vorrichtung 1 die Verweildauer des Wasserstoffperoxids in der Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter 10 und dem Anschluss 6.1.2 bzw. der dortigen wenigstens einen Mischdüse des jeweiligen Behandlungskopfes 6 maximal 60 Sek., vorzugsweise maximal 40 Sek. beträgt. Von besonderer Bedeutung ist auch, dass Dosierdruck nicht durch Pumpen erzeugt wird, sondern durch Druckbeaufschlagung des Vorratsbehälters 10 und dass insbesondere als Dosierelemente keine Dosierpumpen, sondern schnell schaltende oder schaltbare Ventile verwendet werden.

Diesbezüglich wurde bei Versuchen im Hause der Anmelderin ermittelt, dass eine hinreichende Genauigkeit der Dosierung des H ₂ O ₂ lediglich dann erzielbar ist, wenn die Dosierventile 17 besonders kurze Schaltzeiten aufweisen. Es wurde festgestellt, das oberhalb einer Schaltzeit von 90 ms keine ausreichenden Genauigkeiten erzielbar sind. Die Ursache dafür ist in den komplexen strömungstechnischen Vorgängen innerhalb des Gesamtsystems während des öffnen und/oder Schließens der Ventile zu sehen. Insbesondere das Beschleunigen oder Verzögern der in den Leitungen befindlichen Flüssigkeitssäule verursacht bei langen Schaltzeiten durch den sich über einen längern Zeitpunkt permanent aber unstetig verändernden Volumenstrom des H ₂ O ₂ -Sterilisationsmediums nicht akzeptable Mess-Ungenauig- keiten. Eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit der Messergebnisse konnte bereits bei Schaltzeiten unterhalb von 50 ms erzielt werden.

Beste Ergebnisse für die Messgenauigkeit der dosierten Menge des H ₂ O ₂ - Sterilisationsmediums konnten bei Schaltzeiten unterhalb von 1 ms erzielt werden. Für das schalten eines Flüssigkeitsstromes geeignete Ventile mit derart kurzen Schaltzeiten sind dem Fachmann beispielsweise aus dem Bereich der Tintenstrahl- Druck-Technologie bekannt.

Die Arbeitsweise des Dosier- und Versorgungssystems 9 ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung, d.h. zur dosierten Abgabe des Wasserstoffperoxids am jeweiligen Behandlungskopf wird das betreffende Dosierventil 17 in Abhängigkeit von dem an dem Dosierventil anstehenden Dosierdruck, von dem vom Durchflussmesser 16 gelieferten Steuersignal sowie auch in Abhängigkeit vom Volumenstrom der der jeweiligen Mischkammer 6.1 zufließenden sterilen Luft gesteuert.

Um in den Verbindungsleitungen 15 eventuell aus dem Wasserstoffperoxid abgespalteten Sauerstoff zu entfernen, können in diesen Verbindungsleitungen oder aber in einem Verteiler 20, über den die Verbindungsleitungen 15 an den Vorratsbehälter 10 angeschlossen sind, Gasabscheider 21 vorgesehen werden, wie dies in der Figur 3 mit unterbrochenen Linien dargestellt ist.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

So ist beispielsweise vorgesehen, die einem einzelnen Behandlungskopf zugeführte Menge von Wasserstoffperoxid mittels eines Regelkreises zu regeln. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn innerhalb dieser Regelung auch die Parameterkombination Dosierdruck / Dosierzeit berücksichtigt wird.

Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit der H ₂ θ ₂ -Sterilisation von Flaschen 2 erläutert. Die Erfindung, insbesondere auch die beschriebenen Dosiersysteme 9 und 9a sind aber für die H ₂ θ ₂ -Sterilisation von anderen Packmitteln wie beispielsweise Schraubverschlüssen ebenfalls geeignet.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Flasche

3 Rotor

4 Einlauf

5 Auslauf

6 Behandlungskopf

6.1 Mischkammer

6.2 Verdampfer

6.1.1 Anschluss für Sterilluft mit Mischkopfdüse

6.1.2 Anschluss für H2O ₂ mit Mischkopfdüse

7 Flaschen- bzw. Behälterträger

8 Rohr

9 Dosier- und Versorgungssystem

10 Vorratsbehälter

11 Versorgungsleitung

12 Steuerventil

13 Versorgungsleitung

14 Steuerventil

15 Verbindungsleitung

16 Durchflussmesser

17 Dosierventil

18 Mess- und Dosiereinheit

19 Steuereinrichtung

20 Verteiler

21 Gasabscheider

N1 ₀ Niveau