Autoklav

Sterilisation in der Medizintechnik und Biologie

Man unterscheidet folgende zwei Möglichkeiten, eine Sterilisation einzuleiten:

Vakuumverfahren (B-Klasse)

Entfernung der Luft durch mehrmaliges Evakuieren (Leerpumpen) im Wechsel mit Dampfeinströmungen; sog. fraktioniertes Vorvakuum

Strömungs- oder Gravitationsverfahren (S-Klasse)

die Luft wird durch Sattdampf verdrängt (Dampfkochtopf-Prinzip).

Die zu sterilisierenden Gegenstände, Abfälle oder Substanzen werden in der Regel in genormten Spezialbehältern in den Autoklaven gegeben, deren Volumen in Sterilisiereinheit (StE) angegeben wird. Eine StE entspricht 60 × 30 × 30 cm, also 54 Liter.

Autoklaven dienen vor allem zur Dampfdruck-Sterilisierung von Nährmedien, medizinischen Instrumenten, Operationswäsche, Tupfern und Ähnlichem. Solche Autoklaven werden daher manchmal auch als Dampfdruckapparate bezeichnet. Für Sterilisationszwecke in der Medizin und Biologie gibt es Autoklaven unterschiedlicher Größe, mit einem Innenvolumen von einigen hundert Litern und darüber hinaus, aber auch deutlich kleinere Volumina sind lieferbar.

Sterilisatoren in der Medizintechnik für Operationsbesteck haben einen rechteckigen Querschnitt und beidseitig angeordnete vertikale Schnellverschlüsse, die das Einschieben von Horden ermöglichen. Diese Sterilisatoren werden mit Reindampf beschickt, der außerhalb des Sterilisators erzeugt wird. Die Sterilisationsphasen und die erforderlichen Temperaturen werden aufgezeichnet.

Sterilisationsautoklaven in der Biologie haben aus Festigkeitsgründen meistens einen zylinderförmigen Mantel. An einer Seite befindet sich üblicherweise ein Schnellverschluss, der als Schraub- oder Bajonettverschluss ausgeführt ist. Als Anzeigeinstrumente verfügen sie zumindest über Thermometer und Manometer. Die Druckbeaufschlagung erfolgt entweder durch Fremddampf oder der Dampf wird in dem Autoklav durch eine elektrische Beheizung erzeugt.

Durch die Sterilisation können selbst Bakteriensporen (insbes. von Clostridium botulinum), die resistenten Dauerformen einiger Bakterien, abgetötet werden. Ziel der Sterilisation ist jedoch nicht die garantierte Abtötung aller Keime, sondern das Absenken der Wahrscheinlichkeit für eine Kontamination des Sterilgutes auf 10⁻⁶. Das heißt, dass von einer Million Sterilgüter nach der Sterilisation nur noch eines mit Mikroorganismen oder Keimen belastet ist. Die Abtötungszeit ist abhängig von der Keimbelastung, das heißt je mehr Keime vorhanden sind, desto länger ist die benötigte Sterilisationszeit.

Das Autoklavieren als Sterilisationsmethode wird unter feuchter Hitze durchgeführt. Die Feuchtigkeit lässt vor allem die Sporen der Bakterien quellen, dadurch sind sie weniger resistent als bei trockener Hitze. Die Prozedur gliedert sich in vier Abschnitte. Der erste Abschnitt ist die Steigzeit, in dieser Zeit wird der Innenraum des Autoklavs entlüftet, also die Luft entfernt und durch Sattdampf ersetzt. Die Luftentfernung geschieht im Allgemeinen durch das Gravitationsverfahren, das heißt heißer Dampf steigt auf und verdrängt die kalte Luft. Überprüft wird dieser Vorgang durch ein Thermometer im Innenraum der Autoklaven. Nachdem an der kältesten Stelle im Nutzraum 100 °C überschritten sind, ist die Entlüftung abgeschlossen, ein Ventil verschließt den Nutzraum druckdicht. So kann die voreingestellte Abtötungstemperatur (häufig 121 °C) erreicht werden. Danach beginnt die Ausgleichszeit, nach dieser Zeit erreicht auch das zu sterilisierende Gut an jedem Punkt die nötige Temperatur, dann beginnt die eigentliche Sterilisationsphase (Sterilisationszeit). Welche Dauer gewählt wird, hängt von der Sterilisationstemperatur, dem Typ des Autoklavs und den zu zerstörenden Mikroorganismen ab. Für eine erfolgreiche Sterilisation muss die gesamte Raumluft (Atmosphäre) durch Dampf ersetzt werden.

Pathogene Prionen, wie die Erreger der neuen Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (vCJD), können nur mit einer Sterilisation bei 134 °C und einer Dauer von 60 Minuten zerstört werden.

Im Autoklav behandelbare Gegenstände und Materialien werden als autoklavierbar bezeichnet.

Anwendungen in der Chemie

Generell werden alle Vorgänge, bei denen Gase unter Druck zur Reaktion gebracht werden müssen, in Druckbehältern oder Autoklaven durchgeführt (siehe auch: Solvothermalsynthese). Beispiele hierfür sind die Hydrierung mit Wasserstoff, die hydrolytische Spaltung von Fetten bei der Seifenherstellung und die Vulkanisation. Die mengenmäßig bedeutendste Reaktion dürfte jedoch die Herstellung von Kunststoffen wie (Hochdruck)Polyethylen und Polypropylen aus Ethylen und Propylen sein.

Baustoffindustrie

In der Baustoffindustrie werden für die Dampfhärtung Steinhärtekessel eingesetzt, die zum Aushärten von Kalksandstein und Porenbeton verwendet werden. Diese Autoklaven sind liegend angeordnete zylindrische Druckbehälter mit je einem Schnellverschluss an der Beschickungs- und Entnahmeseite sowie Führungsschienen für Loren. Die in einer Presse geformten Kalksandsteine werden auf den Loren abgelegt und in den Steinhärtekessel gezogen. Nach dem Verschließen der Schnellverschlüsse wird der Steinhärtekessel mit Dampf von bis zu 16 bar beaufschlagt; das entstehende Kondensat wird am Sohlenbereich abgezogen. Die Zylinder haben einen Durchmesser von 2 bis 2,5 m und Längen von ca. 15 bis 30 m. Es werden Bajonettverschlüsse gängiger Hersteller verwendet. Der Deckel wird auf das am Mantel angeschweißte Gegenstück des Verschlusses angelegt und mit einer Zahnstange gedreht, so dass sich die Verschlusselemente überlappen. Die Verschlusselemente haben einen Winkel, so dass die eingelegte Dichtung an die Dichtfläche gepresst wird. Erst wenn der Deckel vollständig geschlossen ist, kann ein zur Sicherheit angebrachter Kugelhahn verschlossen werden. Das Drehen des Deckels kann durch Handbetätigung oder Hilfskraft (pneumatisch, hydraulisch) erfolgen.

Faserverbundherstellung

Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen. In diesen Autoklaven werden üblicherweise Drücke von bis zu 10 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C erzeugt. Die Druckbeaufschlagung erfolgt mittels Kompressoren, teils mit einem Druckspeicher. Der hohe Druck wird genutzt, um die einzelnen Laminatschichten zu verpressen. Meist wird das Bauteil gleichzeitig evakuiert, um überschüssige Luft aus dem Faserverbund vollständig zu entfernen. Normale Faserverbund-Bauteile aus Kunstharz (meist Epoxidharz) mit Kohle- oder Glasfasern werden je nach Harz und Härter bei einer Temperatur zwischen 100 und 250 °C und in Zeiten zwischen 5 Minuten und mehreren Stunden ausgehärtet.

Wegen ihrer hohen Anschaffungskosten werden solche Autoklaven vorwiegend in der Luft- und Raumfahrt sowie dem professionellen Motorsport wie der Formel 1 verwendet. Bei der Produktion von Verkehrsflugzeugen kommen besonders große Autoklaven zum Einsatz, in denen ganze Rumpfsegmente Platz finden. Als Faserhalbzeuge verwendet man hauptsächlich Prepregs.

Zur Erzeugung von faserverstärkter Keramik werden in Kombination mit Schutzgas auch deutlich höhere Temperaturen von 900 °C bis zu 3000 °C eingesetzt.

Verbundsicherheitsglas

Autoklaven werden bei der Herstellung von Verbundsicherheitsglas (VSG) verwendet. Hierbei werden zwei oder mehrere Scheiben, zwischen denen jeweils eine oder mehrere Kunststofffolien gelegt werden, im Autoklaven zu einem gemeinsamen Verbund verbacken. Mit diesem Verfahren kann bei Verwendung mehrerer Gläser und verschiedener Folien schusshemmendes oder gar explosionshemmendes Panzerglas hergestellt werden.

Lebensmittelindustrie

Weiterhin werden Autoklaven in der Lebensmittel- und Tierfutterindustrie verwendet, um die entsprechenden Produkte (Suppen, Eintöpfe, Menüschalen usw.) ohne zusätzliche Kühlung lange haltbar zu machen. Eine Sterilisation im Autoklav bei 115 bis 135 °C ist dann notwendig, wenn das Produkt einen pH-Wert von über 4,5 aufweist, da in diesem Bereich noch Botulinusbakterien keimen können. Bei niedrigeren pH-Werten (zum Beispiel Obstkonserven) ist eine Pasteurisation (<100 °C) ausreichend. Es ist jedoch zu beachten, dass Schimmelpilze und andere Bakterien unter diesem Wert noch keimfähig sind. Für die Aufrechterhaltung der Sterilität müssen die Produkte luftdicht verpackt sein (z. B. Konservendose, Glasbehälter).

Sonstige Anwendungsgebiete

Autoklaven werden auch zu folgenden Zwecken eingesetzt:

• in der histologischen Diagnostik (Aufbereitung von histologischen Schnitten),
• zur Veredelung von Bernstein,
• zur Sterilisation von Schmuck und Werkzeugen, die beim Piercen und Tätowieren eingesetzt werden,
• zur Schrumpfung von Polyamidfasern bei der Herstellung dynamischer Kletterseile.