In der Chemie sind gesättigter und trockener Dampf nicht nur im Bereich theoretischer Fragestellungen relevant, sondern auch für die direkte und praktische Anwendung in der Industrie.

Um den Unterschied zwischen diesen beiden Begriffen bestmöglich zu verstehen, muss man sich zunächst die genaue Definition von Wasserdampf vor Augen halten.

Wasser, wie auch andere Stoffe, kann sich physikalisch gesehen in diversen Aggregatzuständen befinden: Die „häufigsten“, zumindest in der Praxis sind der feste Zustand (im Fall von Wasser Eis), der flüssige sowie der gasförmige Zustand. Wasserdampf entspricht dem letzten Zustand.

Das bedeutet jedoch nicht, dass es keine Verbindungen zwischen den diversen Aggregatzuständen gibt, oder dass jeder Zustand stets die gleichen Bedingungen aufweist. Wenn ein Stoff einer bestimmten Veränderung des Drucks und/oder der Temperatur unterzogen wird, kann ein so genannter Phasenübergang zwischen den Aggregatzuständen stattfinden. Die zahlreichen chemischen Verbindungen, die die Teilchen der Materie verbinden, werden entweder durchbrochen (wenn der Stoff vom festen Zustand in den flüssigen übergeht) oder gebildet (wenn er vom gasförmigen Zustand in den flüssigen übergeht). Die molekulare Anordnung der Teilchen stellt den entscheidenden Unterschied zwischen den diversen Aggregatzuständen dar.

Gehen wir zu einem Beispiel über, um den Begriff des gesättigten Dampfes einzuführen. Bei einem Druck von 1 Atmosphäre (ca. 101325 Pascal), also bei jenem Druck, den Luft mit ihrem Gewicht auf Meereshöhe sowie bei einer Temperatur von 0°C ausübt, kocht Wasser bei 100°C. Das bedeutet, dass bei dieser Temperatur die Wasserteilchen im flüssigen Aggregatzustand beginnen, ihre chemischen Verbindungen zu durchbrechen, um sich in Wasserdampf zu verwandeln. Eine chemische Umwandlung, die eine so radikale Veränderung mit sich bringt, erfolgt natürlich nicht schlagartig. Das Verfahren erfordert einen Zwischenzustand: Die Temperatur muss zumindest für eine kurze Zeit konstant bei 100°C bleiben. Wenn die Temperatur konstant auf 100°C gehalten wird, befindet sich Wasser genau zwischen zwei Aggregatzuständen, dem flüssigen und dem gasförmigen und jene Teilchen, die die Verbindungen durchbrechen sollten, sind in gleicher Zahl vorhanden, wie jene, die sie neu bilden. Dieser besondere Zustand von Wasser wird gesättigter Dampf genannt.

Das gleiche gilt auch allgemein, nicht nur wenn der Druck konstant bei 1 Atmosphäre liegt. Den einzigen Umstand, den man in dieser Situation beachten muss, ist dass sich die Siedetemperatur von Wasser ändert (in der Regel ist der Unterschied minimal, und man bemerkt ihn zum Beispiel in großen Höhen wie im Gebirge).

Nun haben wir erfahren, dass jener Zustand zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen zur Entstehung eines bestimmten Dampftyps führt, nämlich des gesättigten, der bereits alleine zahlreiche Vorteile aufweist (unten werden wir noch darauf eingehen, dass seine hohe Temperatur die Eliminierung der Bakterien erlaubt). Wir können aber den Genauigkeitsgrad unsere Analyse noch erhöhen, wenn wir zwei weitere Typen von gesättigtem Dampf unterscheiden:

  • Gesättigter trockener Dampf (oft nur als trockener Dampf bezeichnet);
  • Gesättigter feuchter Dampf (oft nur als feuchter Dampf bezeichnet).

Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Zuständen hängt mit dem Vorhandensein von „Tröpfchen“ zusammen: Erfahrungsgemäß wissen wir, dass der Dampf eines Kochtopfs kleine Tröpfchen produziert, die das Material umhüllen, was auch im Fall von Nebel geschieht. Das Erscheinen dieser Tropfen lässt auf das Vorhandensein eines maximalen Feuchtigkeitsgehalts schließen. (Es handelt sich dabei um den Teil des gesättigten Dampfs, der jene Teilchen enthält, die sich darauf vorbereiten, Verbindungen auszubilden, um im flüssigen Zustand zu verbleiben). Deshalb wird er feuchter Dampf genannt. Der andere Zustand bildet hingegen keine Tröpfchen und stellt den restlichen Teil der Teilchen dar. Das ist trockener Dampf.

Es gibt noch eine weitere Phase, die in der Industrie genutzt wird, nämlich der überhitzte Dampf (Heißdampf). Im Unterschied zu den vorherigen erlangt man diesen Dampf in einem Nichtgleichgewichtszustand: Wenn sich die Temperatur beträchtlich erhöht und der Siedepunkt überschritten wird, gibt es keine zu verdunstende Flüssigkeit mehr, was eine Art „toten Punkt“ bedingt.

Isotherme Zustandsänderung ist der Name jenes Diagramms, das die isothermen Zustandsänderungen in einem System wie dem abgebildeten darstellt. Die Abszissen stellen das Volumen V dar und die Ordinaten den vom Volumen V abhängigen Druck P. Das Phasendiagramm wird auch oft Clapeyron-Diagramm oder Druck-Volumen Diagramm genannt.

Beginnen wir bei den Vorteilen von gesättigtem trockenem Dampf gegenüber dem normalen und dem feuchten. Die Anwendung von trockenem Dampf erlaubt dank ihrer hohen Temperatur die Eliminierung von auf den Oberflächen vorhandenen Bakterien. (Die einzigen Bakterien, die in der Lage sind unter hohen Temperaturen zu überleben heißen thermophile Bakterien und kommen ausschließlich in der Nähe von Vulkanen oder an ähnlichen Orten vor). Dadurch wird eine sorgfältige Desinfektion garantiert, die gemeinsam mit dem Feuchtigkeitsgehalt des trockenen Dampfs für eine tief gehende Reinigung sorgt. Man könnte sagen, dass die Schmutzpartikel fast „schwimmen“ wenn sie in Kontakt mit dem trockenen Dampf kommen, was ihre Entfernung erleichtert. Zusätzlich optimiert der Druck den Prozess und erhöht die Leistungsfähigkeit.

Auf der anderen Seite macht das lästige Vorhandensein von Flüssigkeit im feuchten Dampf seine Anwendung für die Reinigung von Oberflächen wenig nützlich. Daraus folgt, dass vom hygienischen Standpunkt her, die Verwendung von trockenem Dampf grundlegend ist (vor allem in den letzten Jahren, seit Auftreten des Coronavirus).

Dampf im allgemeinen Sinn weist hingegen für diesen Zweck keine ausreichend hohe Temperatur auf und ist aus diesem Grund unwirksam. Das gleiche gilt auch für überhitzten Dampf (Heißdampf), der zwar gut für das Erlange von Temperatursprüngen in zahlreichen Maschinen geeignet ist, aber im Bereich der Reinigung keine optimalen Ergebnisse aufweist.

Das oben Ausgeführte zeigt, dass der trockene Dampf deutlich effizienter im Bereich der Desinfektion und der Reinigung gegenüber den anderen beiden Typologien ist. Außerdem ist es wichtig, einen weiteren Vorteil von trockenem Dampf zu unterstreichen: Er verursacht keine Verschmutzungen und weist einen geringen Verbrauch auf. In der Tat werden die Vorreinigung, die Reinigung und das Spülen eines klassischen Zyklus, der mit der Desinfektion abgeschlossen wird, in der Reinigungsphase mit trockenem Dampf vereint, wodurch man Verschwendungen vermeidet. Numerisch gesehen konsumiert die klassische Hochdruckreinigungsmaschine mit Wasserstrahl zwischen 1500 und 2000 Liter Wasser pro Stunde, während der Dampfgenerator nur 10 Liter verbraucht. Auch in diesem Bereich sind die Vorteile offensichtlich.

Quellen:
[1] William D. Wise (2005). ‟Succeed at steam sterilization” Chemical processing.
[2] ‟Saturated vs Superheat Steam Conditions". nationwideboiler.com
[3] Song, L.; Wu, J.; Xi, C. (2012). ‟Biofilms on environmental surfaces: Evaluation of the disinfection efficacy of a novel steam vapor system”. American Journal of Infection Control. Vol. 40, Issue 10, 926-930.