Was ist ein Autoklav und wie funktioniert er?

Was ist ein Autoklav?

Ein Autoklav ist ein gasdicht verschließbarer Druckbehälter, der zur Sterilisation von Materialien und medizinischen Instrumenten mit gesättigtem Wasserdampf unter Druck eingesetzt wird. Durch Temperaturen von 121 bis 134 °C und Drücke von bis zu 3 bar werden Bakterien, Viren, Pilze und Sporen zuverlässig abgetötet – selbst an schwer zugänglichen Stellen des Sterilisierguts. Das Sterilisationsverfahren gilt als besonders effektiv und basiert auf dem Prinzip eines Schnellkochtopfs: Der erhöhte Druck ermöglicht höhere Temperaturen, was eine tiefgreifende und sichere Entkeimung gewährleistet.

Autoklaven kommen in Zahnarztpraxen, Krankenhäusern, Laboren, der Pharmazie und Lebensmittelindustrie zum Einsatz. Sie dienen der Sterilisation von chirurgischen Instrumenten, Glaswaren, Textilien, Nährmedien oder Konserven. In der Industrie finden sie auch bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, der Dampfhärtung von Baustoffen oder bei chemischen Prozessen Verwendung.

Moderne Autoklaven sind trotz ihrer komplexen Technik benutzerfreundlich. Automatisierte Programme steuern Entlüftung, Aufheizphase, Sterilisationszeit sowie Druckabbau und Trocknung präzise. Dadurch sind sichere, reproduzierbare Ergebnisse auch durch nicht-technisches Personal möglich.

Welche Arten von Autoklaven gibt es

Unter “Autoklav” versteht man in der Regel einen Dampfautoklaven. Daneben gibt es noch weitere Gerätetypen, die sich nach ihrem technischen Funktionsprinzip und ihrer Klassifizierung gemäß europäischer Normen unterscheiden. Die Wahl des passenden Typs hängt vom Einsatzbereich, dem Sterilisiergut und den hygienischen Anforderungen ab.

Technische Typen von Autoklaven:

• Dampfautoklav: Der gängigste Autoklav-Typ. Arbeitet mit gesättigtem Wasserdampf im Überdruckbereich. Ideal für medizinische Instrumente, Laborgeräte und pharmazeutische Produkte. Effektiv gegen Mikroorganismen wie z. B. Bakterien, Viren und Schimmelpilze.
• Heißluftautoklav: Nutzt trockene Hitze zur Sterilisation. Geeignet für hitzestabile, feuchtigkeitsempfindliche Materialien wie Glas, Metall oder Pulver. Kommt häufig in der Industrie und bei bestimmten Laboranwendungen zum Einsatz.
• Gasautoklav: Setzt steril wirksame Gase wie Ethylenoxid ein. Für temperaturempfindliche Produkte, Kunststoffe oder elektronische Bauteile. Längere Zykluszeiten, aber besonders schonende Behandlung.
• Hochdruckautoklav: Speziell für industrielle Anwendungen, etwa bei der Aushärtung von Verbundwerkstoffen (CFK, GFK). Ermöglicht präzise Steuerung von Hochdruck und Temperatur für hochfeste Bauteile.
• Mikrowellenautoklav: Verwendet Mikrowellenstrahlung zur Erhitzung und Sterilisation, vor allem bei medizinischem Abfall oder in speziellen Laboranwendungen.
• Plasmaautoklav: Arbeitet mit ionisiertem Wasserstoffperoxidgas. Rückstandsfreie Niedrigtemperatur-Sterilisation für thermolabile Instrumente. Besonders schonend und schnell.
  

Klassifizierung nach EN 13060 (für kleine Dampfsterilisatoren):

• Klasse B: Dies sind die leistungsfähigsten Tischautoklaven. Sie verfügen über ein fraktioniertes Vorvakuum, das auch luftenthaltende Hohlkörper, poröse Materialien und verpackte Instrumente zuverlässig sterilisiert. Klasse-B-Autoklaven sind in allen medizinischen Bereichen einsetzbar, auch bei komplexem Sterilgut. Sie erfüllen höchste Anforderungen an Hygiene und Dokumentation.
• Klasse S: Für bestimmte, definierte Sterilisiergüter geeignet. Ohne vollständiges Vorvakuum. Nur zulässig für Anwendungen, die vom Gerätehersteller freigegeben sind.
• Klasse N: Einfachste Ausführung. Nur für unverpackte, massive Instrumente ohne Hohlräume geeignet. Kein Vakuumprozess. In medizinischen Einrichtungen kaum noch verwendet.

Wie funktioniert ein Autoklav?

Ein Autoklav funktioniert nach dem Prinzip der Dampfsterilisation und lässt sich technisch mit einem hochentwickelten Druckkochtopf vergleichen. In einem hermetisch verschlossenen Druckbehälter wird gesättigter Wasserdampf auf 121 bis 134 °C erhitzt und bei 1,1 bis 3 bar gehalten. Dieser heiße Dampf durchdringt selbst poröse Materialien und denaturiert zuverlässig die Proteine sämtlicher Mikroorganismen – darunter Bakterien, Viren, Pilze, Sporen, Protozoen und sogar widerstandsfähige Prionen. Ziel ist die vollständige Sterilität, also absolute Keimfreiheit; eine Teilsterilisation existiert nicht. Voraussetzung für eine wirksame Sterilisation sind vollständige Dampfdurchdringung sowie präzise Steuerung von Temperatur, Druck und Zeit.

Der Prozess folgt einer präzise gesteuerten Abfolge mehrerer Phasen:

1. Beladen
   1. Die zu sterilisierenden Gegenstände wie Medizinprodukte, Labor-Glaswaren, Textilien oder Nährmedien werden so in die Sterilisationskammer eingelegt, dass der Dampf alle Oberflächen ungehindert erreichen kann. Überlappungen oder blockierte Hohlräume müssen vermieden werden.
2. Verschließen der Sterilisationskammer
   1. Nach der Beladung wird die Tür des Autoklaven gasdicht verschlossen. Nur so kann der notwendige Überdruck für den nachfolgenden Prozess aufgebaut und gehalten werden.
3. Luftentfernung (Entlüften)
   1. Luft behindert die gleichmäßige Dampfpenetration und muss vollständig entfernt werden. Dafür stehen zwei Verfahren zur Verfügung:
      1. Strömungs- bzw. Gravitationsverfahren: Dampf wird von oben in die Kammer eingeleitet und verdrängt die kalte Luft nach unten, wo sie über ein Ventil entweicht.
      2. Vakuumverfahren (fraktioniertes Vakuum): Bei modernen Autoklaven wird die Kammer mehrfach evakuiert und mit Dampf befüllt. Durch den erzeugten Unterdruck während der Evakuierungsphasen wird die Luft effektiv entfernt. Dieser Unterdruck-Dampf-Zyklus wird in der Regel dreimal wiederholt, um eine nahezu vollständige Luftentfernung zu gewährleisten – insbesondere bei komplexen Hohlkörpern.
4. Aufheizen und Sterilisieren (Haltezeit)
   1. Ist die Kammer luftfrei, wird weiterhin gesättigter Wasserdampf eingeleitet. Der Druck steigt, wodurch sich die Temperatur über den Siedepunkt hinaus erhöht:
      1. 121 °C bei ca. 2 bar Überdruck
      2. 134 °C bei ca. 3 bar Überdruck
   2. Diese Bedingungen werden über eine definierte Haltezeit konstant gehalten. Typische Sterilisationszeiten:
      1. 15–20 Minuten bei 121 °C (z. B. für Flüssigkeiten)
      2. 3–5 Minuten bei 134 °C (z. B. für Instrumente)
   3. Diese Temperaturen ermöglichen eine schnelle Denaturierung von Mikroben-Proteinen (Koagulation), was zu deren Abtötung führt.
      1. Die sogenannte thermische Abtötungszeit (TDT) beschreibt die Zeitspanne, die nötig ist, um eine bestimmte Mikroorganismenmenge bei definierter Sterilisationstemperatur zu zerstören. Beispiele: 121 °C für 15–20 Minuten (z. B. Flüssigkeiten), 134 °C für 3–5 Minuten (z. B. Instrumente)
   4. Der Prozess nutzt die latente Verdampfungswärme des Dampfes: Pro Gramm Dampf werden rund 2500 Joule an die kühleren Oberflächen abgegeben. Diese intensive Wärmeübertragung sorgt für die effektive Erhitzung und Abtötung von Mikroorganismen selbst in dichten Materialien. Dampf ist dabei etwa siebenmal energiereicher als kochendes Wasser bei 100 °C.
5. Druckablass (Entspannung)
   1. Nach Ablauf der Haltezeit wird der Dampf kontrolliert aus der Kammer abgelassen, bis der Umgebungsdruck wieder erreicht ist.
6. Trocknung (optional, aber meist Standard)
   1. Besonders bei verpacktem oder porösem Sterilisiergut wird eine Trocknungsphase durchgeführt. Dies geschieht meist durch:
      1. erneutes Vakuum, wodurch verbliebenes Wasser verdampft und abgesaugt wird
      2. gegebenenfalls zusätzlich durch gefilterte Warmluft zur beschleunigten Trocknung
7. Entladen
   1. Sobald die Kammer drucklos ist und das Material abgekühlt und trocken ist, kann die Tür geöffnet werden. Die sterilisierten Gegenstände sind nun keimfrei und bereit zur Verwendung oder Lagerung.

Welche Programme hat ein Autoklav?

• Standardprogramme (121 °C / 134 °C): Für die routinemäßige Dampfsterilisation fester, hitzebeständiger Materialien.
• Schnellprogramme: Reduzierte Zyklusdauer bei geringer Beladung oder weniger kritischen Materialien.
• Prionenprogramm: Verlängertes Hochtemperaturprogramm (z. B. 134 °C für ≥18 Minuten) zur Inaktivierung prionischer Proteine.
• Flüssigkeitsprogramm: Speziell für Medien, Pufferlösungen oder pharmazeutische Flüssigkeiten. Inklusive langsamer Abkühlung mit Druckausgleich.
• Textil- und Porenprogramm: Für poröse Materialien wie OP-Tücher, Filter oder Verpackungen – häufig mit fraktioniertem Vakuum.
• Bowie-Dick-Testprogramm: Täglicher Funktionstest für die Dampfdurchdringung bei porösen Gütern (Dampfdurchdringungstest).
• Vakuumtest (Lecktest): Prüfung der Dichtigkeit des Autoklaven – Voraussetzung für den Einsatz von Vakuumprogrammen.
  

Ergänzende Programme:

• Aufbereitungsprogramm für Kunststoffmaterialien: Schonende Dampfsterilisation bei reduzierter Temperatur (z. B. 121 °C), um Verformung zu vermeiden.
• Abfallsterilisationsprogramm: Speziell für kontaminierten Laborabfall oder infektiöses Material. Mit längerer Haltezeit und häufigem Vordampfzyklus.
• Pasteurisations- oder Desinfektionsprogramm: Für nicht hitzestabile Materialien, bei denen keine vollständige Sterilität, sondern nur Keimreduktion gefordert ist (z. B. 70–95 °C).
• Trocknungsprogramm (Post-Sterilisation): Für Materialien, die trocken entnommen werden müssen. Kombination aus Vakuum- und Heißluftphase.
• Kühlprogramm mit Ventilator oder externem Kühlsystem: Aktive Abkühlung für Flüssigkeiten zur Reduzierung der Zyklusdauer und Verbesserung der Prozesssicherheit.
• Individuell programmierbare Zyklen: Für Forschung, Pharmaindustrie oder Validierungsprozesse: frei einstellbare Parameter wie Rampen, Haltezeiten, Vakuumstufen.
• Validierungs- oder Kalibrierungsprogramme: Für die messtechnische Überprüfung der Temperaturverteilung und Prozesssicherheit mittels Fühlern und Datenloggern.

Wie ist ein Autoklav aufgebaut?

• Druckbehälter
  • Zylinderförmig und aus hochfestem Edelstahl gefertigt.
  • Gasdicht verschließbar, um der Druckbeaufschlagung durch gesättigten Dampf (bis ca. 2–3 bar) standzuhalten.
  • Innenseite oft elektropoliert zur leichteren Reinigung und Minimierung von Keimnischen.
• Deckel
  • Verschließt den Druckbehälter sicher, meist mit Schraub- oder Bajonettverschluss.
  • Integrierte Dichtung (meist Silikon oder EPDM), oft automatisch aufblasbar.
  • Mit Sicherheitssensoren ausgestattet, die den Betrieb nur bei korrekt geschlossenem Deckel zulassen.
• Heizeinheit
  • Erzeugt den zur Sterilisation benötigten Dampf.
  • Kann als Tauchsieder im Innenraum verbaut sein oder extern über einen Dampfgenerator arbeiten.
  • Heizleistung ist regelbar, um unterschiedliche Programme zu ermöglichen.
• Dampferzeugungssystem (intern oder extern)
  • Liefert gesättigten Dampf bei Temperaturen von 121 °C bis 134 °C.
  • Der erzeugte Dampf verdrängt die Luft im Inneren oder wird in Verbindung mit einem Vakuumsystem genutzt.
• Entlüftungsventil / Vakuumfunktion
  • Entfernt vorhandene Luft aus der Kammer, um eine gleichmäßige Dampfverteilung sicherzustellen.
  • Bei fraktioniertem Vorvakuum wird die Luft schrittweise evakuiert und durch Dampf ersetzt.
  • Entscheidender Faktor für die Effektivität des Sterilisationsprozesses.
• Überdruckventil
  • Sicherheitskomponente, die den Autoklaven vor überhöhtem Innendruck schützt.
  • Öffnet bei definiertem Maximaldruck automatisch zur Druckentlastung.
  • Wird ergänzt durch mechanische oder elektronische Drucküberwachung mit Manometer.
• Temperaturregeleinheit
  • Regelt und überwacht die Soll-Temperatur während des Sterilisationszyklus.
  • Umfasst Temperaturfühler (meist PT100 oder Thermoelemente), Thermostat und ggf. integrierte Temperaturanzeige.
  • Zusätzlich ist oft ein analoges oder digitales Thermometer verbaut, um die Temperatur zu kontrollieren.
• Steuerungseinheit und Bedienfeld
  • Programmauswahl je nach Sterilisiergut (z. B. Poröse Materialien, Flüssigkeiten, Instrumente).
  • Steuerung von Zyklusphasen: Vakuum, Aufheizung, Haltezeit, Druckentlastung und Trocknung.
  • Digitales Display mit Protokollfunktion zur Dokumentation.
• Trocknungseinrichtung
  • Entzieht am Ende des Zyklus Restfeuchtigkeit durch Vakuum oder aktive Lufttrocknung.
  • Wichtig zur Vermeidung von Kondensat und Re-Kontamination.
• Sicherheits- und Sensoriksysteme
  • Sensoren für Temperatur, Druck, Wasserstand und Türverriegelung.
  • Notabschaltung bei kritischen Abweichungen.
• Kondensat- und Ablasssystem
  • Führt den verbrauchten Dampf und das Kondenswasser geordnet ab.
  • Oft mit Wärmerückgewinnungssystemen gekoppelt zur Energieeffizienz.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Autoklaven finden in zahlreichen Branchen Anwendung, in denen höchste Anforderungen an Hygiene, Sterilität oder Materialfestigkeit gestellt werden. Im Folgenden ein Überblick über zentrale Einsatzbereiche:

Branche	Einsatzbereich	Zweck / Nutzen
Medizin und Gesundheitswesen	Sterilisation von Instrumenten, Textilien, Geräten	Keimfreie Instrumentenaufbereitung, Einhaltung von Hygienevorgaben, Patientensicherheit
Pharmazeutische Industrie	Sterilisation von Nährmedien, Lösungen, Verpackungen	Produktsicherheit, Prozessvalidierung, GMP-Konformität
Lebensmittelindustrie	Pasteurisation und Sterilisation von Konserven, Fertiggerichten, Getränken	Haltbarmachung ohne chemische Zusätze, Schutz vor mikrobieller Kontamination
Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie	Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen (z. B. CFK, GFK)	Hohe Materialfestigkeit, präzise Werkstoffstruktur
Biologie und Biotechnologie	Sterilisation von Kulturmedien, Laborglas, biologischem Abfall	Vermeidung von Kontaminationen, sichere Handhabung biologischer Materialien, Einhaltung von Laborstandards
Chemische Industrie	Durchführung von Reaktionen unter Druck und Temperatur (z. B. Synthesen, Polymerisation)	Sicherer Reaktionsverlauf, Erweiterung der verfahrens­technischen Möglichkeiten
Glas- und Gummiindustrie	Herstellung von Verbundsicherheitsglas, Panzerglas, Vulkanisation von Gummi	Gleichmäßige Materialqualität, dauerhafte Verbindungsschichten

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