Packmittelsterilisation in der Getränkeindustrie

Aseptische Abfüllung und Verpackung

Das Mindesthaltbarkeitsdatum ist produktspezifisch und hängt folglich vom Verfahren der Haltbarmachung des Produkts und dessen Lagerbedingungen ab. Packmittel und Verpackungstechnik haben einen großen Einfluss auf das MHD. Für lang haltbare Produkte wie vegane Drinks, Obst- und Gemüsesäfte oder H-Milch wird häufig der Ausdruck „Aseptische Abfüllung und Verpackung“ verwendet. Es gilt zunächst einmal die Begriffe hinsichtlich des Keimstatus einzuordnen.

Was ist eine sterile Verpackung?

Wenn man sich mit dem Thema Packmittelsterilisation auseinandersetzt, gilt es zunächst einmal die Begriffe hinsichtlich des Keimstatus einzuordnen.

Keimarme Produktverpackungen sind – stark abhängig vom pH-Wert für kurze Haltbarkeiten mit Kühlung sinnvoll.

Aseptisch bedeutet: „frei von krankheitserregenden Keimen“. Dies ist eine logische, aber bei weitem nicht ausreichende Forderung. Man verwendet diesen Begriff allerdings oft synonym für „steril“.

Erforderlich ist eine sterile Verpackung für Waren, bei denen „alle“ vorhandenen Keime abgetötet wurden. Die Keime verbleiben auf der Packmittelinnenoberfläche bzw. im Produkt als „Leiche“.

Für keimfrei verpackte Produkte müsste jeder Mikroorganismus entfernt werden. Das trifft bei Lebensmitteln nur selten zu und ist vor allem in der Pharmazie für Infusionslösungen und ähnlichen Produkten zutreffend.

Natürlich verwendet man die Begriffe in der Lebensmitteltechnologie oft synonym, was abhängig von pH-Wert und MHD dann bei der Konzeption der Anlagen berücksichtigt werden sollte.

Angabe der Keimzahl bei Getränkeverpackungen

Man gibt die Keimzahl in Zehnerpotenzen, beispielsweise in 10² oder 10-³ Keime pro Milliliter an. Letzter Wert würde bedeuten, dass in einem Liter eines Produkts durchschnittlich ein Keim zu finden ist. Dies sagt noch nichts über eine mögliche Gefahr für den Kunden aus, da nicht erkenntlich ist, ob dieser Keim ein Lebensmittelverderber oder -vergifter ist. Prinzipiell kann man sagen, dass es „Null“ Keime nicht gibt. 

Wie darf man die Ausfallrate, also die Zahl der verkeimten Verpackungen bewerten? Dies sei anhand eines Beispiels beleuchtet. Ein Kunde fordert eine verkeimte Verpackung pro 1.000.000 Literpackungen. Die Keimzahl beträgt also ein Keim pro eine Milliarde Milliliter (= 1 x 10-9 KBE/ml). Das klingt nach wenig. Wenn man jedoch bedenkt, dass in einem großen Betrieb mehrere Linien mit hohen Leistungen von 50 000 Flaschen/h und mehr laufen, erreicht man schnell diese eine Million Liter. Folglich würde jeden Tag eine Packung verkeimt sein. Falls jede zehnte Verkeimung zu einer Reklamation führte, dann folgen Rückhol- oder Rückrufaktionen. Ein Alptraum für den betroffenen Betrieb! Als technologisch steril und damit sicher gilt eine Keimzahl von 10-12 oder 10-13 KBE/ml.

Durch Testreihen ermitteln große Packmittelhersteller in Zusammenarbeit mit den Füllanlagenherstellern die tatsächlichen Ausfallraten. Eine aufwendige und wichtige Arbeit. 

Ein Verbundkarton für Getränke mit langem MHD besteht aus den Lagen PE/Karton/PE/Aluminium/PE (von außen nach innen). Bei der eigentlichen Herstellung sind Kunststoffe und Aluminium steril, Karton eben nicht. Die Lagen werden in einem Verfahrensschritt aufeinander gebracht und geschnitten. Dabei entsteht Kartonstaub, der Sporen enthält, die sich dann auf der Packmitteloberfläche befinden. Diese Sporen gilt es abzutöten.

Für Packmittel fordert man eine Keimreduktion von mind. 4 Zehnerpotenzen. Die Kontrolle erfolgt mit Bacillus subtilis. Im Füller strebt man sterile Bedingungen an (z.B. Sterilisation mit Sattdampf bei 121 °C für 30 Minuten).

Trockensterilisation vs. Nasssterilisation von Getränkeverpackungen

Grundsätzlich unterscheidet man die Trockensterilisation mit Wasserstoffperoxid, UV-C-Licht oder pulsed light und die Nasssterilisation mit Peressigsäure oder Wasserdampf. Die Trockensterilisation ist heute üblich, da kein Nachspülwasser notwendig ist und somit der water foot print deutlich besser ist.

Trockensterilisation mit Wasserstoffperoxid

H2O2 ist ein starkes Oxydans mit einer verlässlichen Sterilisationswirkung. Die abtötende Wirkung beruht auf der Entstehung von atomarem Sauerstoff beim Zerfall. Dieser greift die Oberfläche der MO und denaturiert Proteine. Das führt zum Absterben. Bei der Anwendung als Lösung ist eine Konzentration von 20 - 35% üblich. Der weltweit akzeptierte Rückstand im Füllgut beträgt 0,5 ppm. Der MAK-Wert liegt in Deutschland bei 1,0 ppm.

Anwendung als Flüssigkeit in Sterilisierbädern für Packstoffbahnen: Die Packstoffbahn wird schlaufenförmig durch ein meist erhitztes H2O2 – Bad transportiert und anschließend mit heißer Sterilluft trockengeblasen.

Aufdampfen von H2O2: Es lassen sich dünne Niederschläge erzielen. Hier erfolgt eine komplette Benetzung der Packmitteloberfläche mit Wasserstoffperoxid. Der dabei entstehende H2O2 - Dampf sorgt für die komplette Sterilisierung auch bei Ecken und Kanten. Anschließend werden die Reste mit steriler Heißluft entfernt.

Nachteile von H2O2: 

• Bleichende Wirkung
• H2O2 ist ein Gefahrenstoff
• Abzugssystem muss vorhanden sein

Bei der Trockensterilisation gelangen PET-Flaschen über einen Sterilluft-Transport zum Füller. Das H2O2 verdampft im Sterilisator und legt sich als Kondensatnebel auf die zu desinfizierende Oberfläche. Durch die Warmluftzuführung wird das H2O2 aktiviert und unterstützt den Sterilisationsprozess. Die Trocknung erfolgt mittels steriler Warmluft. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch die Verschlusssterilisation.

Heute wird z.B. bei Krones AG bereits der Preform (auch Lightweight-Behälter) und nicht erst die Flasche sterilisiert. Auch hier wird nur ein Sterilisationsmedium, nämlich gasförmiges Wasserstoffperoxid, verwendet. Im Vergleich zu klassischen Aseptikprozessen mit Behältersterilisierung sind mit dem Contipure AseptBloc so Materialeinsparungen von rund zwei Gramm pro Flasche möglich.

Zudem kann man mit einer passenden Sensorik weiteren Benefit generieren, wie Paul Schönheit, Head of Sales Aseptic Technology (Krones AG) hervorhebt: „Visuelle Inspektionen von Preform-Mündung und Verschlüssen gewährleisten eine gute mechanische Verarbeitung der Packmittel im Bloc und minimieren Fehlverschließungen bis hin zu Notstopps und Eingriffen in den Sterilbereich und die dann notwendige Resterilisation. Statt einem Not-Stopp, der Produktionsverlust und Verlust von Hunderten Preforms aus dem Ofen bedeuten kann, wird die Fehlverriegelung einer einzelnen Blasstation im Betrieb erkannt und selektiv nur die einzelne inkorrekt verriegelte Station aus dem Loop genommen.“

Keimreduzierung durch UV-C-Bestrahlung

Quecksilberdampf-Niederdrucklampen emittieren einen beträchtlichen Teil ihrer Strahlung bei 253 nm. Die Frequenz deckt sich mit dem Absorptionsmaximum der DNA und zerstört die Bindung zwischen Nukleotiden. Damit findet keine Vermehrung der Mikroorganismen mehr statt.

Die Bestrahlungsdauer liegt bei 0,2 bis 0,3 sec bei einem Lampenabstand von zwei bis fünf cm. Die Eindringtiefe der UV-C-Strahlen ist jedoch gering. Für den Keimabtötungseffekt ist die Bestrahlungsdosis in mW*s/cm² maßgebend. Mit einer Dosis von 120 bis 250 mW*s/cm² kann innerhalb weniger Sekunden eine Keimabtötungsrate von 4 Zehnerpotenzen erreicht werden. Konidien von Aspergillus niger sind wegen ihrer Schwarzfärbung besonders resistent. 

Zu beachten ist:
Die Bestrahlungsleistung kann bei längerem Einsatz der Lampen sinken
Luftkeime, die auf die Packungen sedimentieren, sind widerstandsfähiger.
Verschmutzungen auf der Oberfläche von Packmittel und Lampen schützen die MO. Deswegen ist eine regelmäßige Reinigung der Lampenoberfläche vorzunehmen.

UV-C – Strahler werden manchmal für die Desinfektion der Verschlüsse für Mineralwasser verwendet. Ebenso setzt man UV-Licht für die Entkeimung von Trinkwasser und Raumluft ein. 

Sterilisation von Getränkeverpackungen mit Pulsed light

Kurzzeitige, intensive Lichtpulse aus einem breiten Spektrum des Lichts (Wellenlänge von 200 bis 1000 nm) werden durch Xenongas – Lampen erzeugt und dienen der Entkeimung von Verpackungsoberflächen. Dabei wird das Licht in kurzen (μsec bis sec), intensiven (mehrere J/cm²) Lichtpulsen mit hoher Frequenz (bis zu 10 Hz) abgegeben. Pulsed Light – Anlage werden beispielsweise für Flach- und Sportverschlüsse unterschiedlicher Geometrie eingesetzt. Die Keimabtötungsrate erreicht bis zu fünf Zehnerpotenzen auf der produktberührenden Oberfläche.

Vorteilhaft ist, dass der Prozess ohne Wasser und Chemikalien auskommt. Allerdings ist eine regelmäßige Validierung nach drei Jahren wichtig, damit eine vorhandene unzureichende Energieeinwirkung auf die Packmitteloberflächen festgestellt wird.

Kaltsterile Abfüllung: Behandlung mit Peressigsäure

Peressigsäure wird zur kaltsterilen Abfüllung von Getränken in Kunststoffflaschen zusammen mit Dampf verwendet. Es ist eine stechend riechende Flüssigkeit, die ein gründliches Nachspülen mit Sterilwasser nötig macht. Dies gilt heute als Nachteil auch in ökologischer Hinsicht. Deswegen wird es kaum mehr bei Neukauf einer Anlage in Erwägung gezogen, jedoch teilweise als Sonderbestellung.

Eine Umstellung solcher Füllanlagen auf eine Sterilisation mit Wasserstoffperoxid ist nicht möglich.

Sterilisation von Getränkeverpackungen mit Wasserdampf

Dieses Sterilisationsverfahren ist wenig verbreitet. Wasserdampf von 100 °C und Atmosphärendruck ist feucht. Bei der Kondensation von Wasserdampf wird die Oberfläche der MO vollständig benetzt und führt zur Keimabtötung. Rückstände sind harmlos. Trotzdem wird das Packmittel nach der Behandlung mit heißer Sterilluft trocken geblasen.