Der Autoklav

Ein Autoklav (gr./lat. selbstverschließend) ist ein gasdicht verschließbarer Druckbehälter, der für die thermische Behandlung von Stoffen im Überdruckbereich eingesetzt wird. Ein Schnellkochtopf stellt ebenfalls einen Autoklaven dar.

Autoklaven werden zum Sterilisieren, zum Aushärten von Baustoffen, zum Vulkanisieren von Reifen und Gurtbändern sowie zum Verpressen von Faserverbundwerkstoffen verwendet und kommen somit in der Medizintechnik, Lebensmitteltechnik, Biologie, Glasindustrie, Luftfahrtindustrie, in Steinfabriken und Vulkanisierbetrieben zum Einsatz.


Großer Autoklav als Schwertransport



Autoklaven werden zum Sterilisieren, zum Aushärten von Baustoffen, zum Vulkanisieren von Reifen und Gurtbändern sowie zum Verpressen von Faserverbundwerkstoffen verwendet und kommen somit in der Medizintechnik, Lebensmitteltechnik, Biologie, Glasindustrie, Luftfahrtindustrie, in Steinfabriken und Vulkanisierbetrieben zum Einsatz.

Der Autoklav basiert auf dem Funktionsprinzip des von dem französischen Physiker Denis Papin 1674/79 entwickelten und 1681 patentierten Papin'schen Topfs.

Es gibt Autoklaven für kleine Einsatzvolumen[1] wie auch große Einheiten für große Produktionsmengen.[2]

Die thermische Behandlung der Stoffe erfolgt wegen des typischen Abschlusses gegenüber der umgebenden Atmosphäre chargenweise (Batch-Betrieb). Dazu sind die Druckbehälter meistens mit Schnellverschlüssen ausgerüstet, die gegenüber geflanschten Druckbehälteröffnungen ein wesentlich schnelleres Öffnen und Schließen des Druckbehälters ermöglichen.

Sterilisation in der Medizintechnik und Biologie

Man unterscheidet folgende zwei Möglichkeiten, um eine Sterilisation einzuleiten:

Vakuumverfahren
Entfernung der Luft durch mehrmaliges Evakuieren (Leerpumpen) im Wechsel mit Dampfeinströmungen; sog. fraktioniertes Vorvakuum
Strömungs- oder Gravitationsverfahren
die Luft wird durch Sattdampf verdrängt (Dampfkochtopf-Prinzip).


Sterilisationsanlage des Mügelner Landambulatoriums (1978)


Autoklav in Biochemieindustrie der DDR (1976)

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

Für Sterilisationszwecke in der Medizin und Biologie gibt es Autoklaven unterschiedlicher Größe, mit einem Innenvolumen von bis zu einigen hundert Litern und mehr. Autoklaven dienen vor allem zur Dampfdruck-Sterilisierung von Nährmedien, medizinischen Instrumenten, Operationswäsche, Tupfer und Ähnlichem. Solche Autoklaven werden daher manchmal auch als Dampfdruckapparate bezeichnet.

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.[3] 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. Die Abtötungsrate der Keime ist logarithmisch, das heißt innerhalb eines Zeitintervalls t {\displaystyle t} t überleben nur 10 % der Keime; t {\displaystyle t} t ist je nach Keim unterschiedlich (beispielsweise t = 2 {\displaystyle t=2} t=2 Minuten für Bacillus stearothermophilus bei 121 °C heißem gesättigten Wasserdampf), aber konstant.

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 Autoklaven 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 Autoklaven 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 Autoklaven behandelbare Gegenstände und Materialien werden als autoklavierbar bezeichnet.
Funktionskontrolle medizinischer Autoklaven

Für Autoklaven, welche vorwiegend in zentralen Sterilgutversorgungsabteilungen eingesetzt werden, werden durch das Medizinproduktegesetz regelmäßige und laufende Funktionskontrollen vorgeschrieben. Dies dient sowohl dem Schutz des bedienenden Personals als auch der evtl. mit sterilisiertem Gut behandelten Patienten. Die elektrische und mechanische Gerätesicherheit ist jährlich von einem Prüfingenieur zu bestätigen (z. B. TÜV, DEKRA, GTÜ). Zum Nachweis der Sterilisationsleistung kommen unterschiedliche Nachweisverfahren zum Einsatz. Für die laufende Kontrolle werden üblicherweise chemische Indikatorfelder auf den Verpackungen oder auf Papierklebestreifen – sog. Spontistreifen – verwendet, die bei den definierten Sterilisationsbedingungen einen Farbumschlag (in der Regel braun) zeigen. Halbjährlich sind Erdsporenproben zu sterilisieren und anschließend in einem zertifizierten Labor zu analysieren. Für Sterilisatoren mit fraktioniertem Vorvakuum soll einmal täglich der Bowie-Dick-Test zum Einsatz kommen, der mithilfe eines gasdurchlässigen Behälters die Vakuumfunktion erfassen soll.
Sonstige Anwendungsgebiete

Autoklaven werden zudem in der histologischen Diagnostik (Aufbereitung von histologischen Schnitten) eingesetzt. Außerdem finden Autoklaven Verwendung bei der Veredelung von Bernstein und zur Sterilisation von Schmuck und Werkzeugen die beim Piercen und Tätowieren eingesetzt werden.
Anwendungen in der Chemie

Generell werden alle Vorgänge, bei denen Gase unter Druck zur Reaktion gebracht werden müssen, in 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.
Dampfhärtung

In der Baustoffindustrie werden Steinhärtekessel eingesetzt, die zum Aushärten von Kalksandstein und Porenbeton verwendet werden. Diese Autoklaven sind liegend angeordnete zylindrische Druckbehälter mit zwei Schnellverschlüssen 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 etwa 10 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 der Bauart Scholz 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. Zur Erzeugung von Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff werden in Kombination mit Schutzgas auch deutlich höhere Temperaturen von 900 °C bis zu 3000 °C eingesetzt, um eine stabilere Molekülstruktur zu erzeugen. Die Druckbeaufschlagung erfolgt mittels Kompressoren, teils mit einem Druckspeicher.

Der hohe Druck im Inneren des Autoklav wird genutzt, um die einzelnen Laminatschichten zu verpressen. Meist wird das Bauteil gleichzeitig evakuiert, um überschüssige Luft aus dem Faserverbund vollständig zu entfernen. Wegen ihrer hohen Anschaffungskosten werden diese 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.

Normale Faserverbund-Bauteile aus Kunstharz (meist Epoxidharz) werden dagegen je nach Harz und Härter bei einer Temperatur zwischen 100 und 250 °C und in Zeiten zwischen 5 Minuten und mehreren Stunden ausgehärtet.

Verbundsicherheitsglas


Autoklav zur Herstellung von 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 ist dann notwendig, wenn das Produkt einen pH-Wert von über 4,5 aufweist. Bei niedrigeren pH-Werten (zum Beispiel Obstkonserven) ist eine Pasteurisation (<100 °C) ausreichend. Für die Aufrechterhaltung der Sterilität müssen die Produkte luftdicht verpackt sein (z. B. Konservendose, Glasbehälter).
Versuchsautoklaven
Diese Autoklaven müssen im Gegensatz zu den Dampfautoklaven wesentlich höheren Drücken standhalten – gängige Laborautoklaven widerstehen ca. 150 Bar. Sie besitzen deshalb dickwandige Außenwände und bestehen oft aus nichtrostenden austenitischen Stählen (z. B. 1.4301 oder 1.4571), um Korrosionen zu vermeiden und das Beschickungsgut nicht zu verunreinigen. Auch sind sie – für die Durchführung von Experimenten mit sehr aggressiven Chemikalien – mit Innenbeschichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) erhältlich. Sonderbauformen erlauben es, Drücke bis 7000 Bar und Temperaturen von mehr als 650 °C zu erreichen. Im Labor sind Autoklaven mit einem Volumen von wenigen Millilitern bis zu einigen Litern verbreitet. Sie besitzen üblicherweise ein Manometer und ein Gasventil, durch welches das gewünschte Reaktionsgas aufgegeben werden kann. Auch ein Thermometer kann zur Ausstattung gehören. Bei sehr kleinen Autoklaven (<20 ml) wird aber meistens auf all dies verzichtet, sie stellen somit lediglich dicht verschraubbare Stahlbehälter dar. Falls gefährliche Reaktionen und Betriebszustände oberhalb der Auslegungswerte nicht ausgeschlossen werden können, dürfen die Autoklaven nur in abgeschirmten Bunkern betrieben werden.

Quelle