Wie funktioniert ein Dampfautoklav?

E.-coli-Bakterien

Dampfautoklaven sind dafür ausgelegt, Mikroorganismen mit Dampf unter hohem Druck und hoher Temperatur abzutöten. Sie dienen auch dazu, biologisch gefährliche Materialien zu inaktivieren. Damit der Dampfautoklav wirksam ist, müssen die zu sterilisierenden Materialien mit Dampf gesättigt sein. Ist zu wenig Dampf vorhanden oder ist Luft im Material eingeschlossen, findet keine Dekontamination statt.

Sterilisation ist die absolute Vernichtung aller Mikroorganismen, einschließlich resistenter Bakterien, bakterieller Sporen, Protozoen, Prionen, Viren und Pilze, die in Flüssigkeiten, auf Materialoberflächen, in Medikamenten oder Kulturmedien vorhanden sind. Absolut heißt hier wirklich absolut. So etwas wie eine „Teilsterilisation“ gibt es nicht. Sterilität zu erreichen kann schwierig sein, sie nachzuweisen ebenfalls. In vielen Fällen ist die Dampfsterilisation das bevorzugte Verfahren. Sie wirkt durch Denaturierung von Proteinen. Bei der Denaturierung von Proteinen handelt es sich um eine Proteinkoagulation, die durch eine hitzebedingte Veränderung der Proteinkonformation zustande kommt. Chemikalien können Mikroorganismen zwar abtöten, sind aber unter Umständen nicht vollständig wirksam und können unerwünschte oder potenziell toxische Rückstände hinterlassen. Dennoch werden chemische Sterilisationsmittel eingesetzt, wenn Hitze Materialien schädigen würde. Auch ionisierende Strahlung und UV-Strahlung lassen sich einsetzen. Sie schädigen oder verändern die DNS/ DNA und verhindern so die Replikation, erzielen aber möglicherweise nicht die gewünschte Wirkung, und ihre Validierung ist etwas schwierig. Unterm Strich ist die Sterilisation mit feuchter Hitze tendenziell überlegen und das bevorzugte Verfahren.

Die meisten Mikroorganismen werden bei Temperaturen über 80 °C abgetötet. Für Prionen dagegen sind höhere Temperaturen und längere Einwirkzeiten nötig, um sie zu inaktivieren. Bei der Sterilisation mit feuchter Hitze kondensieren Dampfmoleküle an kühleren Mikroorganismen. Die Dampfmoleküle geben dabei rund 2260 Joule pro Gramm Dampf ab und erhitzen die Mikroorganismen auf eine Temperatur, bei der sie abgetötet werden. Andere Erhitzungsverfahren, bei denen trockene Gase weniger Wärme übertragen, erzeugen leicht Grenzschichteffekte. Diese wirken wie eine Isolierung und schützen so die Mikroorganismen.

Seine volle Wirkung entfaltet Dampf nur, wenn er gesättigt ist. Bei Sterilisationsverfahren mit feuchter Hitze lassen sich Temperatur und Druck einfach überwachen, sodass leicht festzustellen ist, ob eine Sterilisation stattgefunden hat. Die Dampfsterilisation erreicht zweifellos ein hohes Maß an Sterilität und ist deshalb in Krankenhäusern und Labors das am häufigsten angewandte Sterilisationsverfahren. Das Feuchthitze-Autoklavieren ist die schnellste und zuverlässigste Form der Sterilisation.

So funktioniert der Dampfautoklav

Ein Autoklav ist im Wesentlichen ein Druckkochtopf, der Dampf unter Druck als Sterilisationsmittel verwendet. Durch die Druckerhöhung (über den atmosphärischen Druck hinaus) kann der Dampf höhere Temperaturen erreichen. Der zusätzliche Druck hebt die Siedetemperatur des Wassers an, und zwar um etwa 20 °C. Damit steigen der Wärmeinhalt des Dampfes und seine Abtötungswirkung. Das liegt an seiner latenten Verdampfungswärme. Die latente Verdampfungswärme ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um siedendes Wasser in Dampf umzuwandeln. Diese Umwandlungswärme ist groß im Vergleich zu der Wärmemenge, die nötig ist, um Wasser zu erhitzen.

Um einen Liter Wasser zum Kochen zu bringen, sind 80 kcal erforderlich, die Umwandlung von kochendem Wasser in Dampf erfordert jedoch 540 kcal. Dampf von 100 °C enthält also fast 7-mal mehr Wärme als kochendes Wasser.

Das Besondere am Dampf ist, dass er in kühlere Gegenstände eindringen kann. Trifft er auf eine kühlere Oberfläche, kondensiert er dort zu Wasser. Dadurch verringert sich die Menge des vorhandenen Dampfes. Der so entstehende Unterdruck zieht weiteren Dampf in den kühleren Bereich. Die Kondensation hält so lange an, wie die Temperatur der kondensierenden Oberfläche niedriger ist als die des Dampfes. Dies ermöglicht eine schnelle Erwärmung der Oberflächen, das Eindringen in dichte Materialien, die Denaturierung von Proteinen und die Abtötung von Mikroorganismen.

Thermische Abtötungszeit (TDT, thermal death time)

Die thermische Abtötungszeit (TDT) gibt an, wie lange es dauert, bestimmte Mikroorganismen bei einer bestimmten Temperatur in einer bestimmten Suspension abzutöten. Vereinfacht gesagt ist die Absterberate direkt proportional zur jeweils vorhandenen Konzentration der Mikroorganismen. Wird die Sterilisationstemperatur erhöht, verkürzt sich die TDT (die Zeit bis zum Absterben der Mikroorganismen). Wird die Temperatur gesenkt, verlängert sich die TDT. Bevorzugt werden höhere Temperaturen mit kürzeren Zeiten.

Neben Temperatur und Zeit beeinflusst auch das Sterilisiergut die TDT. Beispielsweise verlangsamen ölige Materialien die Dampfdurchdringung und verlängern daher die TDT. Stark saure oder basische Materialien verkürzen die TDT tendenziell. Für eine Reihe von Mikroorganismen und bestimmte Suspensionen, in denen sie vorkommen können, liegen TDT-Werte vor. Diese Werte sind nicht unbedingt genau, aber ein guter Ausgangspunkt.

Das Autoklavieren gilt als die effektivste und effizienteste Art der Sterilisation. Feuchthitzeautoklaven arbeiten mit einem Verhältnis von Zeit und Temperatur. Höhere Temperaturen beschleunigen die Abtötung von Mikroorganismen. Längere Sterilisationszeiten sind für größere Beladungen, große Flüssigkeitsvolumina und dichte Materialien erforderlich. Die in einem Feuchthitzeautoklaven am häufigsten verwendeten Temperaturen und Drücke sind 115 °C bei 10 Psi (pounds per square inch), 121 °C bei 15 Psi und 132 °C bei 27 Psi. Das Feuchthitze-Autoklavieren eignet sich gut für Glaswaren, biologische Medien, chirurgische Verbände, biogefährliche Abfälle und vieles mehr.

Autoklaven: Druck und Temperatur

Druck und Temperatur beeinflussen das Sieden. Wasser siedet, wenn die Wassermoleküle genügend Energie haben, um aus der Flüssigkeit zu entweichen und darüber Wasserdampf zu bilden. Je heißer das Wasser wird, desto mehr Energie enthalten die Wassermoleküle und desto leichter entweichen sie aus der Flüssigkeit. Ebenso wichtig ist der Druck. Je höher der Druck über dem Wasser ist, desto schwerer lösen sich die Wassermoleküle von der Flüssigkeit, und umgekehrt.

Nehmen Sie als Beispiel einen Aufstieg ins Gebirge. Je höher Sie steigen, desto niedriger ist der atmosphärische Druck. In größerer Höhe siedet Wasser deshalb bei niedrigerer Temperatur, weil weniger Wärme nötig ist, um es zum Sieden zu bringen. Flüssiges Wasser geht viel leichter in Wasserdampf über, weil der Druck über der Flüssigkeit viel geringer ist. Auf dem Gipfel des Mount Everest siedet Wasser bei etwa 70 °C und nicht bei 100 °C.

Der Siedepunkt von Wasser bei einer Atmosphäre (Meereshöhe, 760 mmHg) liegt bei 100 °C. Eine Erhöhung oder Senkung des Drucks um etwa 28 mmHg verändert den Siedepunkt um 1 °C.

Dampfdruck

In einem geschlossenen Behälter wie einem Autoklaven setzt sich der Verdampfungsprozess so lange fort, bis ebenso viele Moleküle in die Flüssigkeit zurückkehren, wie aus ihr entweichen. Ist dieser Zustand erreicht, gilt der Dampf als gesättigt. Bei höheren Temperaturen können mehr Wassermoleküle entweichen, und der entsprechende Sättigungsdampfdruck ist größer. In einem offenen Behälter ist der Dampfdruck dagegen ein Partialdruck neben dem der anderen Bestandteile der Luft darüber. Die Temperatur, bei der der Dampfdruck den atmosphärischen Druck erreicht, heißt in diesem Fall Siedepunkt.

Zusammenfassung

Dampfautoklaven verwenden Hochdruck- und Hochtemperaturdampf, um Krankheitserreger abzutöten. Damit der Dampfautoklav wirksam ist, müssen die zu sterilisierenden Materialien mit Dampf gesättigt sein. Unter Sterilisation versteht man die absolute Abtötung aller Mikroorganismen, die in Flüssigkeiten, auf Materialoberflächen, in Medikamenten und Kulturmedien vorhanden sind. So etwas wie eine „Teilsterilisation“ gibt es nicht. Dampfsterilisation wirkt durch Denaturierung von Proteinen. Bei der Denaturierung von Proteinen handelt es sich um eine Proteinkoagulation, d. h. eine Veränderung der Konformation des Proteins, die es inaktiv macht.

Im Grunde genommen ist der Dampfautoklav ein Druckkochtopf, der Dampf unter Druck als Sterilisationsmittel verwendet. Der Druckanstieg über eine Atmosphäre hinaus ermöglicht es dem Dampf, eine höhere Temperatur zu erreichen. Der zusätzliche Druck erhöht die Siedetemperatur des Wassers und bewirkt eine höhere Abtötungsleistung.

Die thermische Abtötungszeit gibt an, wie lange es dauert, bestimmte Mikroorganismen bei einer bestimmten Temperatur abzutöten. Die Abtötungsrate ist direkt proportional zur Menge der zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhandenen Mikroorganismen.

Das Feuchthitze-Autoklavieren ist die am häufigsten verwendete Form der Sterilisation. Es ist die schnellste und zuverlässigste Form der Sterilisation.

Weiterführende Literatur

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/Kinetic/vappre.html#c2

http://www.jstor.org/stable/30082910

Bildnachweise und Informationen

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diverse_e_Coli.png

Beschreibung: Englisch: Dies sind E. coli

Datum: 4. August 2009

Quelle: Eigene Arbeit

Autor Mattosaurus

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