Keimfreie Oberflächen durch Strahlen mit Trockeneis

Kalt gestellt

13.09.2006 Das Strahlen mit festem Kohlendioxid, so genanntem Trockeneis, konnte sich in den letzten Jahren in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern etablieren. Sobald sensible Oberflächen gereinigt werden müssen oder eine Sekundärverunreinigung durch Strahlmittel unerwünscht ist, kann diese Technologie ihre Vorteile zur Geltung bringen. Die niedrige Härte von Trockeneis ermöglicht die schädigungsfreie Bearbeitung eines großen Werkstoffspektrums, und durch die Sublimation des Strahlmittels muss lediglich die entfernte Verschmutzung entsorgt werden.

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Auch in der Lebensmittelindustrie ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten für das Strahlen mit Trockeneis, zum Beispiel bei der Reinigung von Fertigungslinien oder Lagereinrichtungen. Zur Einhaltung der Lebensmittelhygiene-Verordnung müssen Reinigungsverfahren jedoch besonderen Anforderungen genügen. Definierte Grenzwerte für die Keimbelastung gereinigter Oberflächen stehen dabei im Mittelpunkt. Am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb und am Institut für Biotechnologie der Technischen Universität Berlin wurde die bakteriologische Wirkung des Trockeneisstrahlens untersucht. Anhand definiert verkeimter Edelstahlproben konnte die Eignung des Verfahrens für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie nachgewiesen werden. Besondere Aufmerksamkeit muss jedoch neben der Druckluftaufbereitung vor allem der Absaugung abgestrahlter Verunreinigungen gewidmet werden.

Gefahrenpotenzial von Keimen istunterschiedlich

Die gezielte Anwendung von Reinigungs- und Desinfektionsverfahren spielt in der Lebensmittelindustrie neben der eigentlichen Herstellung von Waren, die für den menschlichen Verzehr geeignet sind, eine zentrale Rolle. Dabei ist es die Aufgabe solcher Verfahren, Produktionsanlagen und Räume in einem hygienischen Zustand zu erhalten bzw. zu versetzen, so dass ein mikrobieller Verderb von Roh- und Hilfsstoffen, Zwischenprodukten sowie des fertigen Lebensmittels vermieden wird. Bei den in der industriellen Praxis eingesetzten Verfahren zur Reinigung und Desinfektion wird durch die Kombination der Parameter Temperatur (höhere Temperaturen des Reinigungsmediums verbessern die Reinigungswirkung), Zeit (es muss so lang wie nötig und so kurz wie möglich gereinigt werden), mechanische Einwirkung (hoher Spritzdruck durch Zielstrahlreiniger bei der Tankreinigung oder Strömung mit sehr hohen Reynoldszahlen bei der Rohrleitungsreinigung) und Art und Konzentration des Reinigungsmittels (beispielsweise basische Mittel zur Entfernung organischer Verschmutzungen) ein Reinigungserfolg erzielt. Dabei ist das jeweilige Verfahren auf die speziellen Anforderungen – Art und Grad der Verschmutzung, Art der Produktionsanlage, vorhandener Werkstoff – anzupassen.

Bei mikrobiellen Kontaminationen kann grundsätzlich zwischen produktschädigenden und pathogenen unterschieden werden. Erstere führen nicht zur Gesundheitsgefährdung von Mitarbeitern und Konsumenten, sondern bewirken einen nachhaltigen Qualitätsverlust des Lebensmittels, der bis zur Ungenießbarkeit führen kann. Solche Kontaminationen äußern sich in der Regel in einem Verlust der geschmacklichen, geruchlichen und optischen Eigenschaften des Lebensmittels. Bei sehr starkem und weit fortgeschrittenem mikrobiellen Verderb kann zusätzlich die Struktur des Lebensmittels zerstört werden.
Liegt eine Kontamination mit pathogenen Mikroorganismen vor, kann der Verzehr des entsprechenden Produkts durch die akute toxische Wirkung zu erheblichen gesundheitlichen Schäden, wie Schmerzen im Verdauungsapparat, Durchfall, Erbrechen, Fieber und weiteren ernst zu nehmenden Erkrankungen bis hin zum Tod, führen. Darüber hinaus sind chronische Toxizitäten mikrobieller Gifte bekannt, denen eine kanzerogene oder mutagene Wirkung nachgewiesen werden konnte.
Darüber hinaus können selbst rein produktschädigende Kontaminationen zu einer Gesundheitsgefährdung führen. Als Beispiel sei die unkontrollierte Gasbildung durch gärende Mikroorganismen in stillen Erfrischungsgetränken genannt, die zu einer Überdruckbildung und gegebenenfalls zu einem Platzen von Flaschen führen kann.
Der Gesetzgeber regelt durch das Lebensmittel-, Bedarfsgegenstände- und Futtermittelgesetzbuch die hygienischen Anforderungen an Lebensmittel und deren Produktionseinrichtungen. Die Anforderungen an Produktionsanlagen finden sich zusätzlich in der Europäischen Verordnung über Lebensmittelhygiene. Darüber hinaus werden genauere und auf das entsprechende Lebensmittel zugeschnittene Gesetze und Verordnungen, wie zum Beispiel die Trinkwasserverordnung, zur Regelung herangezogen.

Strahlen mit festem Kohlendioxid

Das Strahlen mit festem Kohlendioxid mit den Verfahrensvarianten Trockeneisstrahlen und CO2-Schneestrahlen ist im Grundsatz vergleichbar mit dem Sandstrahlen. Durch Druckluft wird das Strahlmittel beschleunigt und auf das zu reinigende Bauteil aufgebracht. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch im Strahlmittel. Festes Kohlendioxid, so genanntes Trockeneis mit einer Temperatur von –78,5°C, geht beim Auftreffen auf die Oberfläche direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über, es sublimiert (Bild 1).

Kohlendioxid findet vielfach Verwendung in der Lebensmittelindustrie, sei es als prickelnder Zusatz in Getränken oder als Kühlmedium. Es ist elektrisch nicht leitend, nicht brennbar, chemisch inert und ungiftig. Es wirkt allerdings Sauerstoff verdrängend und beeinflusst Herzrhythmus sowie Atemfrequenz. Da es schwerer als Luft ist, muss bei der Verwendung auf ausreichende Luftzufuhr geachtet und gegebenenfalls die CO2-Konzentration überwacht werden.
Kohlendioxid wirkt bakteriostatisch, das heißt Wachstum und Vermehrung von Mikroorganismen werden gehemmt, da ihr Stoffwechsel „eingefroren“ wird. Nach einer Wiedererwärmung können diese sich jedoch weitervermehren. Eine keimreduzierende Wirkung von Kohlendioxid wurde bisher lediglich für den flüssigen Zustand nachgewiesen, der nur in geschlossenen Drucksystemen erreicht werden kann. Trockeneis als Strahlmittel führt demnach von sich aus zu keiner Reduzierung der Keimbelastung.
Abhängig der Lagerform des Strahlmittels wird zwischen zwei Verfahrensvarianten, dem Strahlen aus der festen Phase und dem Strahlen aus der flüssigen Phase, unterschieden. Erstere wird im Allgemeinen als Trockeneisstrahlen, letztere als CO2-Schneestrahlen bezeichnet.
Für das Trockeneisstrahlen wird das Strahlmittel in einem separaten Prozess in Form von Pellets oder Blöcken hergestellt und anschließend in einer Strahlanlage dem Druckluftstrom zudosiert. Mit den relativ großen Trockeneispartikeln können selbst hartnäckige Verschmutzungen, Lackierungen und keramische Hitzeschutzschichten entfernt werden. Die permanente Sublimation des Trockeneises und seine hygroskopische Eigenschaft führen jedoch zu einer begrenzten Haltbarkeit. Reinigungsarbeiten müssen demnach entsprechend genau geplant werden.
Bei der zweiten Verfahrensvariante, dem CO2-Schneestrahlen, wird das Strahlmittel in flüssiger Form unter Druck vorgehalten. Erst im Prozess entsteht durch Entspannung ein CO2-Schnee/Gas-Gemisch, das dem Druckluftstrahl zugeführt wird. Die CO2-Schneepartikel weisen im Vergleich zu vorproduzierten Trockeneispellets eine deutlich geringere Masse und Dichte auf. Aus diesem Grund wirkt das Verfahren weniger abrasiv und eignet sich daher besonders für die Reinigung sensibler Materialien. Weitere Vorteile liegen in der leichten Automatisierbarkeit und der nahezu unbegrenzten Lagerfähigkeit des flüssigen Kohlendioxids.
Der Einsatz des Trockeneis- bzw. CO2-Schneestrahlens in der Lebensmittelindustrie stellt besondere Anforderungen an die Aufbereitung der Druckluft. Nach ISO 85731 ist die Reinheitsklasse A erforderlich. Dies entspricht keimfreier Druckluft mit einem Restöldampfgehalt £0,003mg/m³, gereinigt von Teilchen >0,01µm und einem Drucklufttaupunkt unterhalb -20°C.

Reinigungsversuche erfolgreich

Zur Untersuchung der Wirkung des Trockeneisstrahlens auf die Keimbelastung verschmutzter Oberflächen wurden Edelstahlbleche mit einer Kantenlänge von 50mm herangezogen. Diese wurden in Anlehnung an die Verkeimungsmethode der EHEDG (European Hygienic Engeneering and Design Group) für 30min in mit verschiedenen Mikroorganismen kontaminierte Sauermilch eingelegt. Als Testorganismen wurden Escherischia coli, Bacillus stearothermophilus (hierbei handelte es sich um eine Lösung mit vegetativen Zellen und Endosporen) und Saccharomyces cerevisiae ausgewählt. Nach der Verkeimung wurden die Proben für eine Stunde bei 26°C getrocknet und anschließend steril bis zur Bestrahlung verpackt.

Für die Strahlversuche wurde eine Trockeneisstrahlanlage vom Typ Cryonomic CAB52 verwendet. Der Strahldruck betrug 13bar, der Trockeneismassenstrom 80kg/h. Die Strahldüse wurde manuell über das Probenbauteil bewegt. Nach der Bestrahlung wurden die Proben auf unterschiedliche Nährmedien abgeklatscht und diese anschließend für 24h bei 37°C bzw. 26°C bebrütet. Als Nährmedien dienten Endo-Agar für E. coli und ST-1-Agar für B. stearothermophilus sowie Würze-Agar für S. cerevisiae.
Bild 2 zeigt den erzielten Reinigungseffekt am Beispiel des Bacillus stearothermophilus. Der linke Nährboden als Referenz ist vollständig mit Kolonien überzogen, die Abklatschprobe der gereinigten Oberfläche ist nahezu keimfrei. Vergleichbare Ergebnisse wurden für E. coli und S. cerevisiae erzielt. Es wurde nachgewiesen, dass sich das Trockeneisstrahlen zur Reinigung im Bereich der Lebensmittelindustrie eignet.
Mit der Entfernung der bakteriellen Belastung von den Probebauteilen konnte jedoch noch keine Aussage getroffen werden, wie sich die Bestrahlung auf die Keime selbst auswirkt. Auf Grund der hohen Druckluftvolumenströme kommt es möglicherweise zu einer Verschleppung der Keime, so dass die Gefahr einer Kontaminierung umliegender Fertigungsanlagen besteht. Aus diesem Grund wurden bei den Versuchen die entstehenden Abluftströme über Nährböden geleitet. Bild 3 zeigt das Ergebnis für E. coli. Der Nährboden wurde vollständig kontaminiert.

Es muss davon ausgegangen werden, dass durch das Trockeneisstrahlen Keime nicht vollständig abgetötet werden. Für umliegende Flächen und Anlagenkomponenten besteht eine unmittelbare Gefahr der Neukontaminierung durch das Verfahren. Bei der Anwendung ist demnach für eine ausreichende Abschottung dieser Bereiche zu sorgen.

Heftausgabe: September 2006
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Über den Autor

Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann , Leiter Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik,
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