Autoklav

Ein Autoklav (gr./lat. selbstverschließend) ist ein gasdicht verschließbarer Druckbehälter. Er wird für verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen, jeweils angepassten Ausführungen verwendet. In der Medizintechnik, Lebensmitteltechnik und Biologie versteht man unter Autoklaven zumeist einen Apparat, in dem Wasserdampf unter Überdruck auf verschiedene Objekte (Instrumente, Nährmedien) einwirkt um Sterilität zu erreichen. Auch in chemischen Laboratorien und in der Technik werden Autoklaven verwendet, wobei sie hier zur Durchführung von Reaktionen unter Hochdruck sowie für Reaktionen mit Gasen gebraucht werden. Vom Grundprinzip her stellt ein Schnellkochtopf ebenfalls einen Autoklaven dar.

Technik

Dampfautoklaven

Für Sterilisationszwecke in der Medizin und Biologie gibt es Autoklaven unterschiedlicher Größe, mit einem Innenvolumen von einigen bis zu einigen hundert Litern und mehr. Sie sind aus Stabilitätsgründen meistens zylinderförmig gebaut. An einer Seite befindet sich üblicherweise ein Deckel, der durch einen Schraub- oder Bajonettverschluss geschlossen werden kann. Als Anzeigeinstrumente verfügen sie zumindest über Thermometer und Manometer. Die Druckbeaufschlagung erfolgt durch Einleiten von gespanntem Dampf (d.h. unter Überdruck) oder Erzeugen von Dampf im Autoklav selbst. Man unterscheidet daher folgende zwei Möglichkeiten:

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).

Autoklaven für Gas- und Druckreaktionen

Diese müssen im Gegensatz zu den Dampfautoklaven wesentlich höheren Drücken standhalten – gängige Laborautoklaven widerstehen ca. 150 Bar. Sie besitzen deshalb starke Außenwände und bestehen aus korrosions- und säurefesten Spezialstählen wie V2A oder V4A. Auch sind sie – für die Durchführung von Experimenten mit sehr aggressiven Chemikalien – mit Innenbeschichtungen aus Teflon 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 aufgepreßt 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.

Anwendungen in Medizin und Biologie

Sterilisation

Autoklaven dienen vor allem zur Dampfdruck-Sterilisierung von Nährmedien, medizinischen Instrumenten, Operationswäsche, Tupfer und Ähnlichem. Solche Autoklaven werden daher manchmal auch als Dampfdruckapparate bezeichnet.

Durch die Sterilisation können selbst Bakteriensporen (insbes. von Clostridium botulinum), die resistenten Dauerformen einiger Bakterien, abgetötet werden. Die Sterilisation ist nicht die garantierte Abtötung aller Keime, sondern die theoretische Wahrscheinlichkeit, dass die Anzahl der Keime auf dem sterilisierten Gegenstand um sechs Zehnerpotenzen (log-Stufen) reduziert wurde, d. h., dass bei einer theoretisch angenommenen Ausgangszahl von einer Million Keimen nur einer davon die Sterilisation überlebt. Die Abtötungszeit ist abhängig von der Keimbelastung d. h. je mehr Keime vorhanden sind desto länger ist die benötigte Sterilisationszeit. Die Abtötungsrate der Keime ist logarithmisch, d. h. innerhalb eines Zeitintervalls $t$ überleben nur 10 % der Keime, $t$ ist je nach Keim unterschiedlich (beispielsweise $t=2$ Minuten für B. 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, hier erreicht der Autoklav selbst die eingestellte Sterilisationstemperatur. 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 Innenluft (Atmosphäre) durch Dampf bei mindestens 2 atm ersetzt werden. Abschließend wird das Sterilgut durch Vakuumphasen getrocknet. Nur trockene Gegenstände gelten bei Entnahme aus dem Sterilisator als steril.

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 18 Minuten zerstört werden.

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.

Funktionskontrolle medizinischer Autoklav

Für Autoklaven werden durch das Medizinproduktegesetz und die Berufsgenossenschaft für Gesundheitsdienst und Wohlfahrtspflege regelmäßige und laufende Funktionskontrollen vorgeschrieben. Dies dient dem Schutz des bedienenden Personals wie den evtl. mit sterilisiertem Gut behandelten Patienten. Die elektrische und mechanische Gerätesicherheit ist jährlich von einem Prüfingenieur zu bestätigen (TÜV). 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 Farbunschlag (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.

Anwendungen in Chemie und Technik

Generell werden alle Reaktionen, bei denen Gase unter Druck zur Reaktion gebracht werden müssen, in Autoklaven durchgeführt. 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 Polymerkunststoffen wie (Hochdruck)Polyethylen und Polypropylen aus Ethylen und Propylen sein.

Dampfhärtung

So genannte dampfgehärtete Baustoffe, zum Beispiel Kalksandstein und Porenbeton, werden in Autoklaven unter Sattdampfatmosphäre bei Temperaturen von etwa 180 bis 210 °C gehärtet.

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. Oft werden auch Druckspeicher verwendet, um auch mit einem kleineren Kompressor bei Bedarf ausreichend Druckluft zur Verfügung zu haben.

Der hohe Druck im Inneren wird genutzt, um die einzelnen Laminatschichten zu verpressen. Meist wird das Bauteil gleichzeitig evakuiert, um überschüssige Luft aus dem Verbund zu entfernen. Das Kunstharz im Faserverbund-Bauteil (meist Epoxidharz) wird dann bei hoher Temperatur (100–250 °C, je nach Harz) mehrere Stunden ausgehärtet.

Wegen ihrer hohen Anschaffungskosten werden diese Autoklaven vorwiegend in der Hochtechnologie (zum Beispiel Luft- und Raumfahrt oder Motorsport) verwendet. In ihnen kommt hauptsächlich die Prepregtechnologie zur Anwendung.

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