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1. WO2020003039 - ANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR DEKONTAMINATION VON OBJEKTEN

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Anordnung und Verfahren zur Dekontamination von Objekten

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dekontamination von

mindestens einem Objekt. Die Anordnung umfasst eine Kammer in der das

mindestens eine zu behandelnde Objekt platziert ist. Ein Plasmasystem ist fluide mit der Kammer für das zu behandelnde Objekt verbunden.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dekontamination von mindestens einem Objekt.

Industriell werden Plasmaverfahren derzeit u. a. in der Medizintechnik, der

Werkstoffherstellung und der Beleuchtungstechnik eingesetzt. Die Anwendung von Plasma erlaubt prinzipiell eine Reduktion mikrobieller Kontaminanten bei geringen Temperaturen, wobei die Wirkung primär auf den Oberflächen erzielt wird. Erste Versuchsreihen im Labormaßstab zur Plasmaanwendung im Lebensmittelbereich untersuchen hauptsächlich Möglichkeiten zur Inaktivierung unerwünschter

Mikroorganismen bei hitzeempfindlichen Lebensmitteln, da herkömmliche thermische Dekontaminationsverfahren bei Produkten, wie bspw. frischem Obst und Gemüse, Fleisch oder Eiern, nicht oder nur begrenzt einsetzbar sind. Die Plasmaanwendung gilt auch als potenzielle Alternative zu anderen chemischen (z. B. Chloreinsatz) oder physikalischen Verfahren (z. B. Hochdruck-, Hochspannungsimpulse, ionisierende Bestrahlung). Als Vorteile des Plasmaverfahrens gelten u. a. eine hohe Wirksamkeit bei niedrigen Temperaturen (i. d. R. < 70 °C), gezielte und verbrauchsgerechte Bereitstellung, geringe Beeinflussung der inneren Produktmatrix, wasser- bzw.

losem ittel- und rückstandsfreie sowie ressourceneffiziente Anwendung. Andere Verfahren, wie Hochdruck und/oder ionisierende Strahlung sind komplex oder kostspielig. Die Dekontamination mit UV-Licht ist oft nicht wirksam und durch

Schatteneffekte eingeschränkt.

Die internationale Patentanmeldung WO 1995/009256 A1 befasst sich mit der Behandlung, insbesondere der Reinigung, von Oberflächen, insbesondere Folien- und Metalloberflächen. Die Reinigung wird dadurch erreicht, dass eine dielektrisch behinderte Entladung auf die Oberfläche des Folienbandes einwirkt. Durch Einwirkung hochenergetischer geladener Teilchen und durch Einwirkung von Photonen aus dem

UV-Spektralbereich wird, z. B. der Öl- bzw. Fettfilm, bereits nach kurzer Zeit so weit entfernt, dass eine Weiterverarbeitung möglich ist.

In dem europäischen Patent EP 1 337 281 B1 wird eine Verstärkung der reinigenden Wirkung von Plasma beschrieben. Die Verstärkung der indirekten Wirkung auf die zu reinigende oder zu sterilisierende Oberfläche wird durch Zumischen von additiven Gaskomponenten, wie z. B. Sauerstoff, Wasserdampf oder auch Edelgasen, erreicht.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 100 36 550 A1 betrifft ein

Sterilisationsverfahren, bei dem die zu behandelnde Oberfläche einer Gasentladung ausgesetzt wird. Die Sterilisation wird in einer Wasserstoff- und sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre bei einem bestimmten Druck durchgeführt. Ein Wirkungsoptimum wird insbesondere durch angefeuchtete Luft (N2+ 02 +H2O) erreicht.

Die US-Patentanmeldung US 2015/0038584 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen von Objekten. Es ist dabei eine räumliche und zeitliche Trennung des Plasmaprozesses und der Exposition des zu

reinigenden/sterilisierenden Objektes beschrieben.

Die US-Patentanmeldung US 2016/0220714 A1 offenbart eine

Desinfektionsvorrichtung zur Plasmadesinfektion von Oberflächen mit einem

Plasmagenerator. Zur Erzeugung eines desinfizierenden Plasmagasstroms steht der Plasmagasstrom mit dem Plasmagenerator in kommunizierender Verbindung. Es ist mindestens ein teilweise geschlossener Desinfektionsbereich vorgesehen, der zur Aufnahme der zu desinfizierenden Oberfläche ausgebildet ist. Die

Desinfektionsvorrichtung besitzt einen Aerosolgenerator zur Erzeugung eines wässrigen Partikels enthaltenen Aerosolstroms. Der Aerosolgenerator steht mit dem Plasmagenerator in kommunizierender Verbindung, um den mit dem Aerosolstrom vermischten Plasmagasstrom im Desinfektionsbereich auf die zu desinfizierende Oberfläche zu leiten.

Zu diesem aktivierten Wasser können, je nach Prozess für die Sterilisation, noch zusätzliche Additive, wie z. B. Peressigsäure oder Wasserstoffperoxid, hinzugesetzt werden.

Die US-Patentanmeldung US 2003/0133832 A1 offenbart die Verwendung von freien Hydroxylradikalen zur Sterilisation bzw. Dekontamination. Die Hydroxylradikale weisen ein besonders hohes Oxidationspotential auf. Die Hydroxylradikale werden durch die photolytische Reaktion von Ozon mit Wasser unter UV-Licht gebildet.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2008 037 898 A1 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Desinfektion oder Sterilisation von Verpackungsmaterial und/oder Behältern und/oder Filtermaterial, wobei das Material bzw. der Behälter mit einem in einem Plasmareaktor erzeugten Gas behandelt wird.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 119 369 A1 betrifft eine Vorrichtung sowie ein System und ein Verfahren zur Behandlung eines Gegenstandes,

insbesondere eines oder mehrerer Freiform körper, mit Plasma. Die Vorrichtung dient zur Behandlung eines Gegenstandes mit Plasma und umfasst eine Hülleinrichtung, mit der ein im Wesentlichen gasdichter Aufnahmeraum ausgebildet oder ausbildbar ist, in den ein zu behandelnder Gegenstand aufgenommen werden kann. Des

Weiteren umfasst die Vorrichtung eine erste Elektrode sowie eine zweite Elektrode, wobei die beiden Elektroden in Bezug zur Hülleinrichtung derart angeordnet sind, dass bei Anlage einer elektrischen Potenzialdifferenz an den Elektroden, ein Plasma im Aufnahmeraum der Hülleinrichtung erzeugbar ist.

Die US-Patentanmeldung US 2017/112157 A1 offenbart ein Verfahren zur

Behandlung einer Oberfläche mit einem reaktiven Gas. Das reaktive Gas wird aus kaltem Plasma bei Hochspannung aus einem Arbeitsgas (HVCP) hergestellt.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2014 213 799 A1 offenbart ein

Haushaltskältegerät mit einer Lebensmittel-Behandlungseinheit sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Haushaltskältegeräts. Das Haushaltskältegerät ist mit einem Innenraum zur Aufnahme von Lebensmitteln versehen, der durch Wände eines Innenbehälters begrenzt ist. Ferner ist eine Lebensmittel-Behandlungseinheit vorgesehen, wobei die Lebensmittel-Behandlungseinheit zur Einwirkung auf eine Oberfläche von den im Lagerbereich eingebrachten Lebensmitteln, in dem

Haushaltskältegerät angeordnet und so ausgebildet ist, dass das Einwirken eine Dekontamination von Pestiziden und/oder Schwermetallen im Lebensmittel ist.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2005 061 247 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entkeimen von Lebensmitteln. Das Lebensmittel wird mit mindestens einem atmosphärischen Plasmastrahl beaufschlagt. Durch die im

Plasmastrahl enthaltene Energie wird die Entkeimung der Oberfläche des

Lebensmittels durchgeführt.

Die US Patentanmeldung US 2004/002673 A1 offenbart ein Sterilisationsverfahren, das nicht im Vakuum durchgeführt wird. Zunächst erfolgt das Einführen eines

Oxidationsmittels in einem gasförmigen Zustand in eine Sterilisationskammer oder einen zu sterilisierenden Bereich. Ebenso wird ein Gasplasma in die

Sterilisationskammer oder den zu sterilisierenden Bereich eingeführt.

Die US Patent US 6,228,330 B1 offenbart eine Dekontaminations- /

Sterilisationskammer für Atmosphärendruck-Plasma. Mit der Dekontaminations- / Sterilisationskammer erfolgt die Dekontamination empfindlicher Geräte und

Materialien wie z. B. Elektronik, Optik und nationaler Schätze, die mit chemischen und / oder biologischen Kampfstoffen, wie Milzbrand oder Senfblister, kontaminiert wurden. Die Vorrichtung kann auch zur Sterilisation in der Medizin- und

Lebensmittelindustrie verwendet werden. Gegenstände, die dekontaminiert oder sterilisiert werden sollen, werden in der Kammer abgelegt. Reaktive Gase, die atomare und metastabile Sauerstoffspezies enthalten, werden durch eine

Atmosphärendruck-Plasmaentladung in einem He / 02-Gemisch erzeugt und in den Bereich dieser Gegenstände geleitet, was zu einer chemischen Reaktion zwischen den reaktiven Spezies und organischen Substanzen führt. Die Plasmagase werden durch ein geschlossenes Kreislaufsystem zurückgeführt, um den Heliumverlust und die Möglichkeit des Austritts von aerosolen Schadstoffen zu minimieren.

Die US Patentanmeldung US 2014/0322096 A1 offenbart eine Desinfektionsstation mit einer Fluidquelle und einem oder mehreren Plasmaerzeugern zum Erzeugen von nichtthermischem Plasma. Eine oder mehrere Düsen sprühen einen Nebel oder einen Fluidstrom durch Plasma, das von dem einen oder den mehreren Plasmaerzeugern erzeugt wird, um das Fluid zu aktivieren. Die Flüssigkeit wird dann verwendet, um ein Objekt zu sterilisieren.

Die internationale Patentanmeldung WO 2008/126068 A1 offenbart ein Plasmasystem mit einer Einsteckpatrone und mit einem Paar von identischen gegenüberliegenden Elektrodenblöcken. Es gibt einen Einlassverteiler für Prozessgas. Das Prozessgas, wie Luft, wird in einer Strömung in den Verteiler gesaugt und strömt in einer

Strömungsrichtung entlang des Pfades, auf dem es ionisiert wird. Die ionisierte Luft tritt in einer Strömung in die Behandlungsleitung aus, wo sie auf die zu behandelnde Probe auftrifft.

Die US Patentanmeldung US 2013/0071286 A1 offenbart ein Sterilisationsgerät mittels kaltem Plasma zur Sterilisation von Gegenständen, wie z. B. medizinische Instrumente. Das Gas wird einer Plasmakammer zugeführt, wo es durch eine oder mehrere mit einer Impulsquelle gekoppelte Elektroden angeregt wird, um dadurch ein kaltes Plasma innerhalb der Plasmakammer zu erzeugen. Eine dielektrische Barriere ist zwischen der Gaskammer und den Elektroden angeordnet, um eine

Entladungsvorrichtung für eine dielektrische Barriere zu bilden. Innerhalb der

Plasmakammer halten ein oder mehrere leitende Ständer, die mit dem Boden verbunden sind, das zu sterilisierende Objekt. Das kalte Plasma verlässt die

Plasmakammer, wo es zur weiteren Verwendung als Plasmaquelle in nachfolgenden Zyklen zurückgeführt wird.

Alle nicht thermischen Verfahren (chemisch, plasmachemisch, physikalisch oder optisch) sind umso wirkungsvoller, je höher die Konzentration der wirksamen Spezies ist und je höher die Expositionszeit der kontaminierten Oberfläche ist. Dabei werden bei mikrobiologischen Organismen oft Schwellwerte beobachtet, unterhalb derer auch bei längerer Exposition die Wirkung verschwindet. Eine vollkommene

Dekontamination kann dadurch nicht erreicht werden.

Bei einer direkten Behandlung mit chemischen Gasmischungen oder Flüssigkeiten, wie z. B. Etylenoxid oder H2O2, kann die Konzentration in einem weiten Bereich frei an den Prozess angepasst werden. Allerdings müssen dann gegebenenfalls

gesundheitsgefährdende Konzentrationen sicher gehandhabt werden.

Bei UV- oder Entladungsverfahren ist die Konzentration der erzeugten Spezies stark abhängig von der Leistung und der Leistungsdichte, die nicht beliebig zu steigern ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für die Dekontamination oder Sterilisation von Objekten zu schaffen, mittels der die Dekontamination oder Sterilisation in möglichst kurzer Zeit effektiv und ressourcenschonend durchgeführt werden kann.

Die obige Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Dekontamination bzw. Sterilisation von mindestens einem Objekt gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein automatisches und gesteuertes Verfahren zur Dekontamination oder Sterilisation von Objekten bereitzustellen, wobei die Dekontamination oder Sterilisation in möglichst kurzer Zeit effektiv und

ressourcenschonend durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Dekontamination von Objekten gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 9 umfasst.

Eine mögliche Ausführungsform der Anordnung zur Dekontamination von mindestens einem Objekt zeichnet sich dadurch aus, dass eine Kammer vorgesehen ist, die mit einem Plasmasystem fluide verbunden ist. In der Kammer befindet sich das zu behandelnde Objekt. Eine Mischkammer ist dem Plasmasystem vorgeordnet. Über eine Leitung ist die Mischkammer mit einem Einlass einer Entladungskammer des Plasmasystems verbunden, so dass der Entladungskammer der Plasmasystems ein Eingangsmassenstrom zugeführt werden kann. Ein Fördermittel ist in einer zweiten Zuleitung aus der Kammer zu der Mischkammer angeordnet. Mit dem Fördermittel kann ein Zirkulationsmassenstrom aus der Kammer zurück zur Mischkammer geführt werden. Bevorzugt ist das Fördermittel als Pumpe ausgebildet.

Der Vorteil der Anwendung des Zirkulationsmassenstroms ist, dass reaktive Stoffe bzw. Substanzen immer wieder durch die Entladungskammer des Plasmasystems gefördert werden, so dass deren Konzentration mit jedem Durchlauf bis zu einem bestimmen Gleichgewicht zunimmt. Dadurch kann man mit einer relativ kurzen bzw. nicht zu langen Entladungskammer des Plasmasystems die für eine effektive

Dekontamination bzw. Sterilisation erforderliche Konzentration erhalten. Die

Entladungskammer des Plasmasystems ist als ein Durchflussreaktor ausgebildet, der mit einem Gasgemisch beschickt wird. In diesem Durchflussreaktor wird eine

Entladung gezündet. So entstehen je nach Intensität der Gasentladung, der

Gaszusammensetzung und weiterer Prozessparameter, wie z. B. Durchflussrate, Temperatur oder Druck, eine Zusammensetzung von Produkten (reaktiven

Substanzen oder Stoffe) mit unterschiedlicher Lebensdauer und Reaktivität. In der chemischen Verfahrenstechnik wird ein solcher Durchflussreaktor auch als

kontinuierlicher Rührkesselreaktor (oder Continuous stirred-tank reactor: CSTR) bezeichnet.

Ein Fördermittel, das z. B. als Pumpe oder Gebläse ausgestaltet ist, ist derart angeordnet, dass ein Zirkulationsmassenstrom durch die Entladungskammer des Plasmasystems und über mindestens ein Objekt in der Kammer (und zurück) geführt wird. Ein Auslass ist der Kammer fluide zugeordnet, so dass aus der Kammer ein Wirkmassenstrom abführbar ist. Für den Fall, dass das Fördermittel eine Pumpe ist, kann diese als Membranpumpe ausgebildet sein.

Durch die mittels des Fördermittels initiierte Rezirkulation kann die Ausbeute der Entladungskammer des Plasmasystems bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich gesteigert werden. Die Zusammensetzung der Produkte, die auf das Objekt einwirken, kann in einem weiten Bereich eingestellt werden. Als Entladungstyp wird im Plasmasystem bzw. in der Entladungskammer eine dielektrische Barrierenentladung eingesetzt. Dadurch kann die Leistung niedrig gehalten werden. Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann in der Entladungskammer des Plasmasystems mindestens ein piezoelektrischer Transformator vorgesehen sein. Der

piezoelektrische Transformator ist mit der Spannungsquelle des Plasmasystems zur Erzeugung von Plasma und den reaktiven Spezies verbunden.

Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung können die

Entladungskammer des Plasmasystems und die Kammer mit dem Objekt räumlich voneinander getrennt sein.

Die verschiedenen Ausführungsformen der Anordnung unterscheiden sich bei gleichem Grundkonzept nur durch den Integrationsgrad der verschiedenen

Komponenten (Kammer, Mischkammer, Rezirkulationsweiche, Fördermittel,

Wärmequellen/Wärmesenken, Dosiereinheiten, etc.) und die Details der

Prozessführung (Entladungsleistung, Temperaturen und Masseströme).

ln der einfachsten Ausführungsform kann die Anordnung aus einer Kammer bestehen, in der die Entladung brennt. Innerhalb der Kammer wird eine rezirkulierende Strömung aufrechterhalten. Innerhalb einer bestimmten Zeit stellt sich bei festgehaltenen

Randbedingungen ein Gleichgewicht der Konzentrationen ein. Ko-existieren in der Kammer eine flüssige/wässrige Phase und eine gasförmige Phase (Luft) und sinkt in der flüssigen/wässrigen Phase der pH-Wert in den sauren Bereich, steigt die

Konzentration von Wasserstoffperoxid bis zu einem gegebenen Gleichgewichtswert. Durch das Zuführen und Erneuern von Luft und Wasser in geeignetem Verhältnis wird aus dem geschlossenen Reaktor ein Durchflussreaktor.

Im einfachsten Fall kann sogar die Pumpe entfallen. Das Fördermittel bildet sich somit alleine durch den Leistungseintrag der Entladung aus, so dass eine

Konvektionsströmung in der Kammer angetrieben wird.

Eine Rezirkulationsweiche ist zwischen dem Plasmasystem und der Kammer vorgesehen. Die Rezirkulationsweiche ist über eine Leitung fluide mit einem Ausgang des Plasmasystems bzw. der Entladungskammer verbunden. Ein erster Ausgang der Rezirkulationsweiche ist fluide mit dem Zirkulationsmassenstrom und ein zweiter Ausgang der Rezirkulationsweiche über eine Leitung fluide mit der Kammer

verbunden.

Ein Einlass der Entladungskammer ist dem Plasmasystem fluide zugeordnet, so dass dem Plasmasystem ein Eingangsmassenstrom zuführbar ist. Bei dem Plasmasystem kann das Verhältnis aus frisch zugeführten Medien (Eingangsmassenstrom) und zurückgeführten Produkten (Rezirkulationsverhältnis) eingestellt werden. Hierzu ist eine Steuer- und Messeinheit vorgesehen. Das Rezirkulationsverhältnis liegt zwischen 1 :10 und 10:1 , typischerweise aber bei 1 :3. Zur Einstellung des

Rezirkulationsverhältnisses ist, gemäß einer möglichen Ausführungsform, eine

Rezirkulationsweiche zwischen dem Plasmasystem und der Kammer vorgesehen.

Zur Temperaturüberwachung und/oder Temperatureinstellung kann eine

Wärmequelle/Wärmesenke dem Plasmasystem zugeordnet sein. Ebenso kann zur Temperaturüberwachung und/oder Temperatureinstellung der Kammer eine

Wärmequelle/Wärmesenke zugeordnet sein. Zusätzlich kann der Kammer ein

Kondensatabscheider zugeordnet sein.

Zur Zuführung von Substanzen in die Entladungskammer des Plasmasystems kann eine Mischkammer fluide über den Einlass mit dem Plasmasystem verbunden sein. Die Mischkammer kann als Verdampfer oder Befeuchter ausgelegt sein. Der

Mischkammer kann auch eine Wärmequelle/Wärmesenke zugeordnet sein. Die Mischkammer selbst ist über eine erste Zuleitung mit mindestens einer Dosiereinheit und über eine zweite Zuleitung mit dem Fördermittel verbunden. Die aus den

Dosiereinheiten frisch zugeführten Substanzen können Prozessgas, z. B. Luft oder befeuchtete Luft, sein. Als zusätzliches Prozessgas kann z. B. Wasserdampf oder Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder ein organischer Dampf eingesetzt werden.

Zur Prozessführung ist der Anordnung eine Steuer-und Messeinheit zugeordnet, die kommunikativ mit Elementen der Anordnung verbunden ist. Elemente der Anordnung sind z. B. die Spannungsquelle, die Rezirkulationsweiche, die Kammer, das

Plasmasystem, das Fördermittel, die Mischkammer, die Wärmequellen/Wärmesenken oder die mindestens ein Dosiereinheit.

Die in der Vorrichtung zur Dekontamination bzw. Sterilisation verwendeten

Wärmequellen oder Wärmesenken können auf verschiedene Weise realisiert werden. So kann z. B. der Plasmaprozess bzw. die Entladungskammer selbst eine

Wärmequelle sein. Die damit gewonnene Wärme kann dazu genutzt werden eine flüssige Komponente zu verdampfen. Der Verdampfungsprozess ist folglich eine Wärmesenke. Dieser Zusammenhang hat den Vorteil, dass die Entladungskammer bzw. der Plasmareaktor durch die Verdampfung gekühlt wird. Ebenso braucht keine zusätzliche Heizleistung zum Verdampfen eines flüssigen Mediums (z. B. Wasser) aufgewendet werden. In analoger Weise kann dieses Prinzip auch bei der

Wärmequelle/Wärmesenke der Mischkammer und/oder der

Wärmequelle/Wärmesenke der Rezirkulationsweiche und/oder

Wärmequelle/Wärmesenke der Kammer selbst angewendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Dekontamination von Objekten, zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

• dass eine Entladungskammer eines Plasmasystems über eine Leitung mit einem Gasgemisch aus mindestens einer Mischkammer beschickt wird;

• dass in der Entladungskammer des Plasmasystems eine Entladung mit dem Gasgemisch gezündet wird;

• dass aus der Entladungskammer einer Kammer über Leitungen ein

Wirkmassenstrom zugeführt wird;

· dass mit einem Fördermittel in einer zweiten Zuleitung ein

Rezirkulationsmassenstrom von der Kammer zu der Mischkammer geführt und über die Entladungskammer des Plasmasystems der Kammer erneut zugeführt wird, so dass ein die Entladungskammer verlassender Wirkmassenstrom eine erhöhte Konzentration an reaktiven Stoffe besitzt; und

· dass eine Steuer- und Messeinheit zur Prozessführung zumindest eine

Spannungsquelle der Entladungskammer des Plasmasystems, die

Mischkammer und das Fördermittel steuert und zumindest von der

Entladungskammer des Plasmasystem, der Mischkammer und dem Fördermittel Daten erhebt, die zur Steuerung der Prozessführung beitragen.

Der Mischkammer wird aus mindestens einer Dosiereinheit über eine erste Zuleitung ein gegebenes Gemisch aus frischen Substanzen und über die zweite Zuleitung vom Fördermittel der Rezirkulationsmassenstrom zugeführt.

Aus der Entladungskammer des Plasmasystems wird ein Ausgangsmassenstrom einer Rezirkulationsweiche zugeführt, wobei die Rezirkulationsweiche den

Ausgangsmassenstrom in einen Wirkmassenstrom und den

Rezirkulationsmassenstrom aufteilt. Mittels der Steuer- und Messeinheit wird die Rezirkulationsweiche überwacht und in Abhängigkeit von der Prozessführung geregelt.

Mittels der Steuer- und Messeinheit wird die Temperatur in der Mischkammer, des Plasmasystems bzw. der Entladungskammer und der Kammer überwacht und in Abhängigkeit von der Prozessführung geregelt. Mittels der Steuer- und Messeinheit wird eine Spannungsquelle des Plasmasystems bzw. der Entladungskammer überwacht und geregelt. Ebenfalls werden mittels der Steuer- und Messeinheit die Mischkammer und die Kammer überwacht und geregelt.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann zur Dekontamination bzw. zum Sterilisieren von Objekten, zum Reinigen von Objekten, zum Abbau von schädlichen Substanzen und zum Abbau von schädlichen Substanzen, wie z. B. organischer Dämpfe, verwendet werden.

Objekte, Oberflächen oder auch organische gasförmige Spezies werden, sobald Sie in den Ausgangsstrom oder den Rezirkulationsstrom des Reaktors gebracht werden, einem sehr aggressiven und oxidierenden Regime ausgesetzt. Bei festen Objekten kann es je nach Prozessführung und Temperatur des Objektes zu einer Kondensation auf der Objektoberfläche kommen. In diesem Kondensatfilm herrschen hohe

Konzentrationen von H2O2 und ein niedriger pH-Wert. Solche Bedingungen sind bekannt dafür Keime abzutöten und organische Substanzen zu oxidieren. Ebenso wird dies in der Medizintechnik und Lebensmitteltechnologie zur Dekontamination bzw. zum Sterilisieren eingesetzt.

Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird Luft und Wasserdampf in geeigneter Weise durch eine Entladekammer (dielektrische Barrierenentladung) des Plasmasystems geleitet. Dabei entstehen neben kurzlebigen Produkten (Ionen, Radikale, hochangeregte Moleküle) verschiedene stabile Spezies, wie z. B.

Stickoxide, Ozon und Wasserstoffperoxid. Durch die Rezirkulation (Pumpen des Ausgangs der Entladungskammer des Plasmasystems zum Eingang der

Entladungskammer des Plasmasystems) steigen die Ozonkonzentration und die Konzentration von Wasserstoffperoxid an. Der pH-Wert im Kondensat sinkt in den sauren Bereich. Durch Rezirkulation werden bei einer gegebenen Ausgangsmenge von Wasser und Luft hohe Konzentrationen von stark oxidierenden Spezies und ein Säuregrad erreicht, der bei einem singulären Durchgang durch die Entladungskammer der Plasmasystems nicht erreicht werden kann. Dieser in sich geschlossene Kreislauf kann durch Nachdosierung von Luft und Wasser und durch Auslass eines Teils des Massenstroms am Ausgang des Plasmasystems bzw. der Kammer geöffnet und so kontinuierlich betrieben werden.

Definition

Dekontamination, im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, ist das

Entfernen von gefährlichen oder schädlichen Verunreinigungen (Kontaminationen) von Objekten, wie z. B. Lebensmitteln, Kleidungsstücken, Böden, Festkörpern, Flüssigkeiten.

Die schädlichen Verunreinigungen können dabei chemischer oder biologischer Natur sein. Unter den Begriff der schädlichen Verunreinigungen kann man Keime, Sporen, Pilze, Mikroorganismen aller Art (Viren, Bakterien, Pilze, Sporen, primitive Parasiten) sowie organische Schadstoffe, giftige organische Verbindungen oder Gifte verstehen. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die obige Aufzählung nicht abschließend ist.

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der

Erfindung, wobei im einfachsten Fall die Entladung innerhalb der Kammer mit dem zu behandelnden Objekt brennt;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei das Plasmasystem als Durchflussreaktor ausgestaltet ist;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei das Plasmasystem als Durchflussreaktor ausgestaltet ist und die Kammer vom Plasmasystem räumlich getrennt ist; und

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Durchführung eines Verfahrens zur Dekontamination bzw. Sterilisation von mindestens einem Objekt.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische

Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figuren erforderlich sind.

Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 zur Dekontamination bzw. Sterilisation von

mindestens einem Objekt 4. Im einfachsten Fall kann die Anordnung 1 , wie hier angedeutet, aus einer Kammer 6 bestehen, in der eine Entladung 9 brennt. Die Entladung 9 brennt in einem Plasmasystem 11 , das innerhalb der Kammer 6 angeordnet ist. Ebenso befindet sich in der Kammer 6 das mindestens eine zu sterilisierende Objekt 4. Der Kammer 6 ist ein Einlass 7 zugeordnet, über den ein Eingangsmassenstrom 7E in die Kammer 6 verbracht werden kann. Ferner ist der Kammer 6 ein Auslass 8 zugeordnet, mittels dem ein Wirkmassenstrom 8W aus der Kammer 6 abtransportiert werden kann. Innerhalb der Kammer 6 wird ein

Zirkulationsmassenstrom 19 ausgebildet, der über das Plasmasystem 11 und das zu sterilisierende Objekt 4 führt. Der Zirkulationsmassenstrom 19 kann in der Kammer 6 über ein Fördermittel 12 eingestellt werden. Das Fördermittel 12 kann eine Pumpe oder ein Umluftgebläse sein. Der Zirkulationsmassenstrom 19 wird durch das

Fördermittel immer über das Plasmasystem 11 geführt, um die Anteile der reaktiven Stoffe für die Dekontamination bzw. Sterilisation des Objekts 4 zu erhöhen. Ebenso kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Zirkulationsmassenstrom 19 über Konvektion aufrechterhalten werden. Flierzu ist die Kammer 6 im Innern derart ausgestaltet, dass sich eine gleichmäßige Konvektion ausbildet. Mittels der

Konvektion oder dem Fördermittel 12 ist sichergestellt, dass ein

Zirkulationsmassenstrom 19 mit reaktiven Stoffen nicht nur das zu dekontaminierende bzw. sterilisierende Objekt 4 erreicht, sondern auch der Anteil der reaktiven Stoffe pro Volumeneinheit erhöht. Das Plasmasystem 11 besitzt gemäß den baulichen

Gegebenheiten eine bestimmte Länge, entlang der dem Zirkulationsmassenstrom 19 reaktiven Stoffe aufgeprägt werden können. Die bei einem einmaligen Durchlauf durch das Plasmasystem 11 erzielbare Konzentration reicht nicht aus um einer effektive Dekontamination der Objekte 4 durchzuführen. Mittels mehrfachen Durchlaufs durch das Plasmasystem 11 kann die Konzentration an reaktiven Stoffen gesteigert werden.

Innerhalb einer bestimmten Zeit stellt sich bei festgehaltenen Randbedingungen ein Gleichgewicht der Konzentrationen der reaktiven Stoffe ein. Koexistieren in der Kammer 6 eine flüssige/wässrige Phase und eine gasförmige Phase (Luft), sinkt in der wässrigen Phase der pH-Wert in den sauren Bereich und die Konzentration von Wasserstoffperoxid steigt bis zu einem gegebenen Gleichgewichtswert. Durch

Zuführen von Luft und Wasser in geeignetem Verhältnis über den Einlass 7 wird aus der Kammer 6 (geschlossener Reaktor) ein Durchflussreaktor.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei das Plasmasystem 11 als Durchflussreaktor ausgestaltet ist und das Plasmasystem 11 von der Kammer 6 (hier nicht dargestellt) räumlich getrennt ist. Dem Plasmasystem 1 1 der Anordnung 1 kann mindestens ein Gemisch aus verschiedenen initialen fluiden und gasförmigen Komponenten zugeführt werden. Bei der in Figur 2 beschriebenen Darstellung ist eine einzige Dosiereinheit 23i vorgesehen, die mit einer Mischkammer 16 über eine erste Zuleitung 25 verbunden ist. Ferner ist die

Mischkammer 16 über eine zweite Zuleitung 27 mit dem Fördermittel 12 verbunden. Obwohl bei der hier dargestellten Ausführungsform nur eine einzige Dosiereinheit 23i dargestellt ist, soll dies nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Wie anhand der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ersichtlich ist, können mehr als eine Dosiereinheit 23i, 232, ...23N der Mischkammer 16 zugeordnet sein.

Das Plasmasystem 11 besteht aus einer Spannungsquelle 2, die mit einer

Entladungskammer 17 verbunden ist. Die Entladungskammer 17 ist mit einer

Masseverbindung 3 verbunden. In der Entladungskammer 17 ist eine Entladungszone 18 ausgebildet, innerhalb der die reaktiven Spezies gebildet werden. Die Länge L der Entladungskammer 17 ist entscheidend für die Ausbildung des Anteils bzw. die Konzentration der reaktiven Stoffe, des die Entladungskammer 17 verlassenden Gemisches.

Aus der Mischkammer 16 kann über eine Leitung 24 einem Einlass 7 des

Plasmasystem 11 bzw. der Entladungskammer 17 ein Gas- bzw. Stoffgemisch zugeführt werden. In der Entladungszone 18 der Entladungskammer 17 zündet eine Gasentladung. Je nach Intensität der Gasentladung, der Gaszusammensetzung und weiteren Prozessparametern, wie Durchflussrate, Temperatur oder Druck, entsteht eine konstante Zusammensetzung von Produkten (reaktive Stoffe) mit

unterschiedlicher Lebensdauer und Reaktivität, die auf das Objekt 4 einwirken.

Der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 ist eine Rezirkulationsweiche 5 nachgeordnet. Die Rezirkulationsweiche 5 ist fluide mit einem Ausgang 13 der

Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 verbunden. Ein erster Ausgang 14 der

Rezirkulationsweiche 5 ist fluide mit dem Zirkulationsmassenstrom 19 verbunden. Ein zweiter Ausgang 15 der Rezirkulationsweiche 5 ist fluide über eine Leitung 28 mit der Kammer 6 (hier nicht dargestellt) verbunden. Durch die Rückführung des

Zirkulationsmassenstroms 19 in die Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 kann die Konzentration der reaktiven Stoffe schrittweise erhöht werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 ist als Durchflussreaktor ausgestaltet. Die Kammer 6 für die Behandlung der Objekte 4 ist von der

Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 räumlich getrennt. Von der Kammer 6 mit dem Objekt 4 wird über den Auslass 8 ein Wirkmassenstrom 8W an die

Umgebung abgegeben und die Kammer 6 wird von reaktiven Stoffen durchströmt.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind drei Dosiereinheiten 23i, 232, und 23z mit der Mischkammer 16 verbunden. Dabei kann die Temperatur in der Mischkammer 16 über eine Wärmesenke/Wärmequelle 30 eingestellt werden. Aus der Mischkammer 16 wird der Eingangsmassenstrom 7E dem Einlass 7 der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 zugeführt. Ebenso kann der Plasmaprozess (erzeugen von

Plasma in der Entladungskammer 17) selbst eine Wärmequelle 30 sein, der dazu genutzt wird, eine flüssige Komponente, die von mindestens einer der Dosiereinheiten 23i, 232, und 23z zugeführt wird, in der Mischkammer 16 zu verdampfen. Dabei wäre dann der Verdampfungsprozess in der Mischkammer 16 eine Wärmesenke 30. Dieser Zusammenhang hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche Heizleistung ein flüssiges Medium (z. B. Wasser bzw. Kondensat aus dem Rezirkulationsprozess) verdampft werden kann.

Typischerweise wird die Entladung in der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 durch eine elektrische Anregung erzeugt, die über die Spannungsquelle 2 des Plasmasystems 11 gespeist wird. Zur Prozessführung kann die Entladungskammer 17 mittels einer Wärmequelle/Wärmesenke 20 beheizt oder gekühlt werden.

Insbesondere kann der Plasmaprozess in der Entladungskammer 17 selbst eine Wärmequelle 20 sein, der dazu genutzt wird eine flüssige Komponente zu

verdampfen. Dabei wäre dann der Verdampfungsprozess eine Wärmesenke 20.

Dieser Zusammenhang hat den Vorteil, dass die Entladungskammer 17 durch

Verdampfung gekühlt wird und ohne zusätzliche Heizleistung ein flüssiges Medium

(z. B. Wasser) verdampft werden kann. Der Ausgang 13 der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 wird über eine Leitung 26 der Rezirkulationsweiche 5 zugeführt. Über eine zweite Leitung 27 und das Fördermittel 12 kann ein

Rezirkulationsmassenstrom 19 von der Kammer 6 und der Rezirkulationsweiche 5 an die Mischkammer 16 zurückgeführt geführt werden.

Dabei hängt der Rezirkulationsmassenstrom 19 und damit das

Rezirkulationsverhältnis von der Leistung des Fördermittels 12, der Einstellung der Rezirkulationsweiche 5 und den Einstellungen an den Dosiereinheiten 23i, 232, und 233 ab. Der zweite Ausgang 15 der Rezirkulationsweiche 5 ist fluide über eine Leitung 28 mit der Kammer 6 verbunden, in der sich das zu behandelnde Objekt 4 befindet.

Die Kammer 6 kann optional über eine Wärmequelle/Wärmesenke 21 auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Falls erforderlich, kann ein Teil des

Wirkgases und des Kondensates aus der Kammer 6 über einen Kondensatabscheider 22 in den Zirkulationsmassenstrom 19 eingeschleust werden. Die Kammer 6 wird über den Auslass 8 zur Umgebung hin durchströmt.

Zur Prozessführung ist eine Steuer-und Messeinheit 50 vorgesehen, die kommunikativ (drahtgebunden und/oder drahtlos) mit den Elementen der Anordnung 1 , wie z. B. der Spannungsquelle 2, der Rezirkulationsweiche 5, der Kammer 6, dem Plasmasystem 11 , dem Fördermittel 12, der Mischkammer 16, den Wärmequellen/Wärmesenken 20, 21 oder der mindestens einen Dosiereinheit 23i, 232, ... ,23N verbunden sein kann. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die vorstehende Auszählung nicht abschließend ist. Je nach Bedarf können Elemente der Anordnung 1 hinzugeschaltet oder weggeschaltet werden.

Ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 4 dargestellt. Gemäß der Erfindung wird ein Plasmasystem 11 bzw. eine

Entladungskammer 17 (Durchflussreaktor) zumindest mit einem Gasgemisch bzw. Gemisch aus der mindestens einen Mischkammer 16 beschickt. In der

Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 wird eine Entladung gezündet. Je nach Intensität der Gasentladung, der Gaszusammensetzung und weiterer

Prozessparameter, wie z. B. Durchflussrate, Temperatur oder Druck, ergibt sich eine konstante Zusammensetzung von Stoffen (Produkten) mit unterschiedlicher

Lebensdauer und Reaktivität.

Ein gegebenes Gemisch aus verschiedenen initialen fluiden und gasförmigen

Komponenten aus verschiedenen Dosiereinheiten 23i, 232, ... ,23N wird mit einer Mischkammer 16 aufbereitet. Dabei kann die Temperatur in der Mischkammer 16 über eine Wärmesenke/Wärmequelle 30 eingestellt werden. Der Eingangsmassenstrom 7E wird in die Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 eingespeist. In der

Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 brennen in der Entladungszone 18 die Entladungen. Typischerweise wird die Entladung durch eine elektrische Anregung erzeugt, die über die Spannungsquelle 2 gespeist wird. Zur Prozessführung kann das Plasmasystem 11 bzw. die Entladungskammer 17 beheizt oder gekühlt werden.

Bevorzugt wird die elektrische Entladung in der Entladungskammer 17 mittels mindestens eines piezoelektrischen Transformators 40 gezündet. Die Funktionsweise eines piezoelektrischen ist hinlänglich bekannt und braucht hier nicht noch einmal erläutert werden.

Der Ausgangsmassenstrom 13A wird über die Rezirkulationsweiche 5 und teilweise über ein Fördermittel 12 an die Mischkammer 16 zurückgeführt. Dabei hängt der Rezirkulationsmassenstrom 19 und damit das Rezirkulationsverhältnis von der

Leistung des Fördermittels 12, der Einstellung der Rezirkulationsweiche 5 und den Einstellungen der Dosiereinheiten 23i, 232, ... ,23N ab. Der Wirkmassenstrom 15W tritt vom zweiten Ausgang 15 der Rezirkulationsweiche 5 in eine Kammer 6 ein, in der sich das zu behandelnde Objekt 4 befindet. Die Kammer 6 kann optional über eine

Wärmequelle/Wärmesenke 22 auf einer konstanten Temperatur gehalten werden.

Falls erforderlich, kann ein Teil des Wirkgases und des Kondensates über einen Kondensatabscheider 22 in den Rezirkulationsmassenstrom 19 eingeschleust werden. Über einen Auslass 8 kann ein Wirkmassenstrom 8W an die Umgebung abgegeben werden.

Durch die Steuer- und Messeinheit 50 und das Prinzip der Rezirkulation kann die Ausbeute der in der Entladungskammer 17 der Plasmasystems 11 erzeugten reaktiven Spezies erheblich gesteigert werden. Die Zusammensetzung des

Gemisches kann mittels der Mischkammer 16 in einem weiten Bereich eingestellt werden. Wird als Entladungstyp eine dielektrische Barriere-Entladung

(piezoelektrischer Transformator 40) eingesetzt, kann die Leistung der dielektrischen Barriere-Entladungsvorrichtung niedrig gehalten werden.

Die Erfindung wurde in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden

Schutzansprüche zu verlassen.

Bezuqszeichenliste

1 Anordnung

2 Spannungsquelle

3 Masseverbindung

4 Objekt

5 Rezirkulationsweiche

6 Kammer

7 Einlass

7E Eingangsmassenstrom

8 Auslass

8W Wirkmassenstrom

9 Entladung

11 Plasmasystem

12 Fördermittel

13 Ausgang

13A Ausgangsmassenstrom

14 erster Ausgang

15 zweiter Ausgang

15W Wirkmassenstrom

16 Mischkammer

17 Entladungskammer

18 Entladungszone

19 Zirkulationsmassenstrom / Rezirkulationsmassenstrom

20 Wärmequelle/Wärmesenke

21 Wärmequelle/Wärmesenke

22 Kondensatabscheider

23i, 232I ... ,23N Dosiereinheit

24 Leitung

25 erste Zuleitung

26 Leitung

27 zweite Zuleitung

28 Leitung

30 Wärmesenke/Wärmequelle 40 piezoelektrischer Transformator 50 Steuer- und Messeinheit

L Länge