DE10030134A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration von Mikroorganismen in einem Gas - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration von Mikroorganismen in einem Gas, mit einer Meßzeile, die von einem Probengasstrom durchströmt wird und in der ein Lichtstrahl an den in dem Gasstrom enthaltenen Partikeln gestreut wird, mindestens einer Empfangseinrichtung, welche Streulicht empfängt und ein der Intensität des Streulichtes entsprechendes Signal abgibt, einer Auswerteeinrichtung, die das Signal empfängt und die Partikelkonzentration in dem Gasstrom für wenigstens einen Korngrößenbereich bestimmt, einer Filtereinrichtung, die der Meßzelle nachgeschaltet ist und einen Filter aufweist, der von dem Probengasstrom durchströmt wird und auf der sich die in dem Gasstrom enthaltenen Partikel niederschlagen, wobei der Filter aus der Filtereinrichtung entnehmbar ist, und einer Recheneinrichtung, die in die Vorrichtung integriert ist und abhängig von der Partikelkonzentration in dem Gasstrom die Konzentration von Mikroorganismen bestimmt, wobei die Recheneinrichtung einen Speicher aufweist, in dem jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Konzentration von Mikroorganismen für den wenigstens einen Korngrößenbereich abgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentra­ tion von Mikroorganismen in einem Probengasstrom.

Jede Person und insbesondere Arbeitnehmer können an ihren Arbeitsplätzen z. B. im Bereich der Medizin, Lebensmittel, Pharmacopie, Müll und Entsorgungstechnik neben physikalischen, chemischen und mechanischen Einwirkungen auch biologischen Arbeitsstoffen wie Gasen, Stäuben, Mikroorganismen, deren Bruchstücke sowie Toxinen ausgesetzt sein, die in hohen Konzentrationen und bei längerfristigem Kontakt ihre Gesundheit beeinträchtigen können. Um einen effektiven Arbeitsschutz an keimbelasteten Arbeitsplätzen überwachen zu können, ist eine rasche und eindeutige Beurteilung der Keimbelastung nach Art, Ausmaß und Dauer erforderlich.

Freie oder aggregierte in der Luft auftretende Mikroorganismen unterliegen als Luftkeime den gleichen physikalischen Gesetzen, die für alle partikelförmige Stoffe in Luft gelten. Luft­ keimmessungen könnten daher grundsätzlich als eine besondere Art der Staubpartikelmessung angesehen werden. Ein bewährtes Verfahren für die quantitative Bestimmung des Luftstaubes ist das Personengetragene Gesamtstaub-Probenahmesystem (PGP) nach BIA (Berufsgenos­ senschaftliches Institut für Arbeitssicherheit, Sankt Augustin), das als das derzeit am besten geeignete Meßverfahren für potentiell humanpathogene Stäube angesehen wird.

Die Vorgehensweise zur Bestimmung nachteiliger Stoffe in der Luft am Arbeitsplatz wird in den Technischen Regeln für Biologische Arbeitsstoffe (TRBA) geregelt. Diese Technischen Regeln geben den Stand der sicherheitstechnischen, arbeitsmedizinischen, hygienischen und arbeitswissenschaftlichen Anforderungen zum Umgang mit biologischen Arbeitsstoffen wie­ der und werden vom Bundesministerium für Arbeit und Sozialordnung im Bundesarbeitsblatt bekanntgegeben. In der TRBA 430 ist beispielsweise die Bestimmung von Schimmelpilzspo­ ren in der Luft geregelt.

Das Meßverfahren PGP arbeitet nach dem Filtrationsprinzip. Hierbei wird ein bestimmtes Luftvolumen mittels einer Pumpe durch einen Filter gesaugt, dessen Porendurchmesser so klein gewählt sind, daß sich die Pilzsporen quantitativ darauf abscheiden. Bei relativ niedri­ gen Pilzsporenkonzentrationen können die beaufschlagten Filter direkt auf Nährmedien auf­ gelegt und im Brutschrank inkubiert werden. Die sich auf den Filtern entwickelnden Kolonien werden ausgezählt. Dieses als Direkte Filtrationsmethode bezeichnete Verfahren ist bei hohen Keimkonzentrationen nicht mehr einsetzbar, da die Filter trotz kurzer Probenahmezeiten mit Mikroorganismen überladen werden.

Bei hohen Keimkonzentrationen in der Luft oder langen Probenahmezeiten werden die Stäube von den beaufschlagten Filtern in einer Flüssigkeit abgelöst. Von der erhaltenen Stammlösung wird eine Verdünnungsreihe hergestellt. Ein bestimmtes Volumen der einzelnen Verdünnungsstufen wird auf Nährmedien ausgespatelt, diese bebrütet und die aus Einzelzellen her­ anwachsenden Kolonien ausgezählt. Die Hauptvorteile dieser Vorgehensweise, die als Indi­ rekte Methode bezeichnet wird, liegen in der Ermöglichung langer Probenahmezeiten. Haupt­ nachteil dieser Methode ist der zu betreibende materielle und labortechnische Aufwand der lange Zeitraum zwischen Probenahme und Vorliegen der Meßergebnisse und die lange Pro­ benahmedauer, die bei niedrigen Keimkonzentrationen nötig wird (Verdünnung der auf den Filtern abgeschiedenen Keime um den Faktor 100 durch Ausspateln eines Teils der Stammlö­ sung).

Das über die TRBA 430 geregelte Meßverfahren hat sich aus verschiedenen Gründen gegen­ über anderen Meßverfahren durchgesetzt. Zum einen erfüllt das verwendete Probenahmegerät die in der EN 481 "Festlegung der Teilchengrößenverteilung zur Messung luftgetragener Par­ tikel" genannten Kriterien. Weiterhin erfolgt die Probenahme netzunabhängig, was auch per­ sonenbezogene Arbeitsplatzmessungen ermöglicht. Bei der Keimzahlbestimmung können sowohl die Direkte als auch die Indirekte Methode angewendet werden, was den Einsatz bei niedrigen und auch bei sehr hohen Keimkonzentrationen ermöglicht.

Emissionsverläufe bei schwankenden Keimkonzentrationen können meist nur unzureichend, in jedem Fall jedoch mit großem labortechnischen Aufwand bestimmt werden. Dies gilt im besonderen für Arbeitsplätze mit relativ niedrigen Schichtmittelwerten, die von kurzfristigen, hohen Emissionsspitzen herrühren. Der Grund hierfür liegt in den Arbeitswerten der Meßver­ fahren. Kommt die Indirekte Methode an einem Arbeitsplatz mit durchschnittlich 10.000 Keimen/m³ zur Anwendung, beträgt die Mindestprobenahmedauer etwa 15 Minuten. Eine Aussage über die Emissionsverläufe in kleineren Zeitintervallen wären in diesem Fall mit der Indirekten Methode also nicht zu treffen. Die Verwendung der Direkten Methode ergibt sich zur Untersuchung von ausgeprägten Emissionsspitzen ebenfalls nicht. Bei der kürzesten möglichen Probenahmedauer von 1 Minute dürfen die Keimkonzentrationen nicht über 9.000/m³ liegen, da die Filter mit Keimen überbelegt würden. Höhere Keimkonzentrationen können mit der Direkten Methode nur grob abgeschätzt werden. Dies ist jedoch nur bis ma­ ximal 100.000 Keimen/m³ möglich. Mit steigender Keimzahl nehmen die Ungenauigkeiten infolge Überbelegung mit Mikroorganismen stark zu.

Weder die in der TRBA 430 festgeschriebenen Verfahren, noch alle anderen Bestimmungs­ methoden, die auf dem Nachweisprinzip der Kultivierung von Mikroorganismen basieren, sind in der Lage, Emissionsschwankungen hinreichend genau zu bestimmen. Biochemische oder mikroskopische Methoden wären zwar grundsätzlich einsetzbar. Sie sind jedoch auf­ grund des benötigten hohen Material- und Zeitaufwandes und den daraus entstehenden Kosten derzeit als nicht praktikabel anzusehen.

Als Alternative ergibt sich daher allenfalls der Einsatz physikalischer Meßverfahren, mit de­ nen die Bestimmung von Keimen indirekt über eine Partikelzählung versucht werden könnte. Die Möglichkeit der Anwendung derartiger Verfahren ist in der TRBA 500 festgeschrieben. Voraussetzung ist, daß sich Korrelationen mit mikrobiologisch erhobenen Befunden finden lassen und Messungen an Arbeitsplätzen möglich sind. Im Folgenden wird ein Verfahren zur Messung von Keimen beschrieben, das diese Kriterien erfüllt und erwarten läßt, die kontinu­ ierliche Keimmessung wesentlich zu vereinfachen und Kosten einzusparen.

Um arbeitsplatzbezogene Keimmessungen durch Staubmessungen zu ersetzen oder zumindest zu ergänzen stehen prinzipiell zwei unterschiedliche Vorgehensweisen zur Verfügung. Dies sind zum einen gravimetrische Bestimmungsmethoden, zum anderen elektronische Staub­ meßgeräte.

Bei den gravimetrischen Bestimmungsmethoden wird der in einem bestimmten Luftvolumen, das durch Pumpen angesaugt wird, vorhandene Staub auf Filtern gesammelt und sein Ge­ wicht bestimmt. Die Bestimmung der Keimkonzentrationen erfolgt aus dem Staub. Über die Berechnung der Keimzahlen pro Gramm Staub kann die Keimkonzentration auf ein Volumen Raumluft bezogen werden.

Bei gravimetrischen Bestimmungsmethoden werden sehr lange Probenahmezeiten benötigt, um ausreichend große Staubmengen für die Auswertung zu erhalten. Personenbezogene Pro­ benahmen sind daher allenfalls bei sehr hohen Staubkonzentrationen an Arbeitsplätzen mög­ lich. Dies ist nur mit mehrstufigen Impaktoren oder Zyklonen realisierbar. Generell ist die Keimzahlbestimmung aus Staub schwierig zu standardisieren und ungenau. Hauptnachteil ist jedoch, daß aufgrund der langen Probenahmezeiten Konzentrationsverläufe allenfalls in gro­ ßen Intervallen bestimmt werden können.

Die üblicherweise für die Bestimmung von Staubkonzentrationen an Arbeitsplätzen einge­ setzten elektronischen Meßgeräte arbeiten nach dem Streulichtprinzip. Hierbei wird die von der Anzahl und dem Durchmesser der Partikeln abhängige, unterschiedlich große Streuung eines spezifischen Lichtstrahls in elektrische Signale transformiert. Die elektrischen Signale können unter bestimmten Voraussetzungen in Staubkonzentrationen (mg/m³) umgerechnet werden. Da diese Massenkorrelationen nur auf der Basis von standardisierten Stäuben erfol­ gen, können die Geräte ohne Sammelfilter lediglich zur Abschätzung der tatsächlich vorhan­ denen Staubkonzentrationen in bekannten Arbeitsplatzatmosphären, wie dem Bergbau, einge­ setzt werden. Die Möglichkeit der Durchführung von personenbezogenen Arbeitsplatzmes­ sungen und die genaue Massen-Bestimmung von Konzentrationsverläufen ist bei Geräten mit Staubsammelfiltern grundsätzlich gegeben. Die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in den Stäuben ist nur beschränkt möglich, da nur wenige verschiedene Staubkorngrößenfraktio­ nen parallel erfaßt werden können.

Die Vorteile von Partikelzählungen liegt in der hohen Sensitivität sowie der Möglichkeit einer Staubcharakterisierung durch die gleichzeitige Zählung mehrerer verschiedener Partikelgrö­ ßen. Durch die Möglichkeit der Begrenzung der Meßintervalle auf bis zu 0,1 Minute Meßdau­ er können zeitlich hoch aufgelöste Konzentrationsverläufe bestimmt werden. Einige Parti­ kelzählgeräte sind tragbar und somit für personenbezogene Messungen verwendbar. Parti­ kelzählgeräte sind gut einsetzbar, wenn man die Meßergebnisse auf einige relevante Partikel­ größen beschränkt.

Aus der DE 198 36 905 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Keimkonzentrationen in Raum- und Außenluft aus Staubpartikelkonzentrationen durch die Bestimmung der linearen Abhängigkeit der in den Stäuben enthaltenen Keimkonzentrationen von den Staubpartikel­ konzentrationen bekannt.

Das Verfahren beruht auf einer korrelierten Partikelzählung, wonach die statischen Abhän­ gigkeiten zwischen Staubpartikeln keimrelevanter Größenfraktionen einerseits und Luftkeim­ konzentrationen andererseits bestimmt werden. Da der Anteil des Grobstaubs am Gesamt­ staub, welcher an Produktionsstätten der Industrie oder in Betrieben der Abfallwirtschaft emittiert wird, meist hoch ist, sich die Keimkonzentrationen im Grobstaub in bezug auf die Gesamtbelastungen jedoch als eher niedrig erweisen, sind Korrelationen zwischen Gesamt­ staub- und Luftkeimkonzentrationen hier oftmals nicht oder nur mit sehr großem meßtechni­ schen Aufwand zu finden. Daher wird das Partikelkollektiv unterteilt in verschiedene Parti­ kelfraktionen erfaßt und die statischen Abhängigkeiten für jede einzelne Partikelfraktion be­ stimmt. Die Keimkonzentrationen können - im Anschluß an eine statische Datenbearbeitung zum Aufspüren von Ausreißern der Partikelverteilung - aus den kontinuierlich gemessenen Staubpartikel-Konzentrationen errechnet werden.

Diese Druckschrift beschreibt jedoch keine Vorrichtung, mit der das Verfahren ausgeführt werden könnte.

Aus der EP 0 391 256 B1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Korngrößenverteilung und der Gesamtkonzentration von Partikeln in einem Gas bekannt. Die Vorrichtung umfaßt eine Meßzelle, die von einem Probengasstrom durchströmt wird und in der ein Lichtstrahl an den in dem Gasstrom enthaltenen Partikeln gestreut wird, mindestens eine Empfangseinrichtung, welche Streulicht empfängt und ein der Intensität des Streulichtes entsprechendes Signal ab­ gibt, eine Recheneinrichtung, die das Signal empfängt und die Partikelkonzentration in dem Gasstrom für wenigstens einen Korngrößenbereich bestimmt, eine Filtereinrichtung, die der Meßzelle nachgeschaltet ist und einen Filter aufweist, der von dem Probengasstrom durch­ strömt wird und auf der sich die in dem Gasstrom enthaltenen Partikel niederschlagen, wobei der Filter eine gravimetrische Bestimmung der Partikelzahlen erlaubt. Diese Druckschrift be­ faßt sich nicht mit der Bestimmung von Keimkonzentrationen.

Schließlich ist aus der DE 94 18 434 U eine Keimzahlbestimmungsanordnung für den klini­ schen Bereich mit einem Meßvolumen, dem auf Keime zu unterschende Luft aus dem Raum zugeführt wird, einer ortsbeweglichen Sensoranordnung, die die Anzahl von in der Luft vorhandenen Partikeln ermittelt, und einer Recheneinheit, die aus der ermittelten Anzahl von Partikeln die Keimzahl bestimmt, bekannt.

Die Recheneinheit ist in einem PC realisiert, der außerhalb des Untersuchungsraumes ange­ ordnet ist.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine neue Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Mikroorganismen bzw. Keimen in einem Probengasstrom anzugeben, die zuverlässig und einfacher handhabbar sind als die Vorrichtungen und Verfahren des Stan­ des der Technik.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, ein Meßgerät für Keimzahlen oder Keimkonzentrationen in Luft zu realisieren, das als Spezialgerät für eine einzige Keimart oder als Mehrfachmeßgerät für verschiedene vorgegebene oder wählbare Keimarten konzipiert ist, indem die Gesamtpartikelkonzentrationen geeigneter Korngrößenbereiche erfaßt und auf­ grund empirisch ermittelter Korrelationen für spezifische Meßumgebungen den gesuchten Keimkonzentrationen zugeordnet werden. Die Erfindung hat den Vorteil, daß alle für die sta­ tistische Erfassungen von Partikelkonzentrationen und zugehörigen Keimkonzentrationen sowie für spätere Messungen notwendigen Komponenten in einem Gerät integriert sind. Das zugrundeliegende Korrelationsverfahren ist in der DE 198 36 905 A1 beschrieben, auf die Bezug genommen wird.

Die Erfindung betrifft somit ein Meßgerät, mit dem ein- und dasselbe Luftvolumen mittels Laserdioden auf Staubpartikel und anschließend durch Filtration auf Luftkeime hin untersucht werden kann. Das Meßgerät wird als "Spezifischer Bioaerosol Detektor mit Echtzeitmessung" bezeichnet und zeichnet sich dadurch aus, daß in der Luftaustrittsöffnung des Staubpartikel­ meßgeräts ein hydrophiler Tiefenfilter positioniert ist. Der Filter wird im Anschluß an die Probennahme direkt auf ein Nährmedien aufgelegt. Durch das aufgedruckte Gitternetz können die gewachsenen Kolonien unter dem Binokular ausgezählt werden.

Die Erfindung ermöglicht eine Prognose der Verläufe der Luftkeimkonzentrationen an Ar­ beitsplätzen und in Produktionsbereichen der Pharma- und Lebensmittel-Industrie auf Basis der (differentiellen) Messung der Konzentrationen von Staubpartikeln verschiedener Größen­ fraktionen. Die Luftkeimkonzentrationen werden anhand der in eigenen Datenbanken festge­ schriebenen, linearen Abhängigkeiten der Keimzahlen, die in den an den Meßorten emittierten Stäuben enthalten sind, von Partikelzahlen bestimmter keimrelevanter Größenfraktionen, er­ rechnet. Die diagnostischen Aufwendungen zur Bestimmung der linearen Abhängigkeit voll Luftkeimzahlen und Staubpartikelzahlen werden gegenüber dem Verfahren der DE 198 36 905 A1 erheblich minimiert. Die Bestimmung der statischen Abhängigkeiten zwi­ schen Keim- und Staubpartikelzahlen über Kalibriergeraden ist nicht mehr nötig, da die ma­ thematischen Beziehungen zwischen Partikel- und den Keimzahlen bereits ermittelt wurden und in dem Meßgerät gespeichert sein können. Die Luftkeimzahlen können solange auf Parti­ kelbasis errechnet werden, wie sich die Partikelverteilung im luftgetragenen Staub gegenüber den vorliegenden Erfahrungswerten nicht ändert. Die Validität des zur Berechnung der Keim­ zahlen ermittelten Verhälttnisses zwischen Keimzahlen und Partikelzahlen ist zu jedem Zeit­ punkt des Meßintervalls durch Filtration der Keime überprüfbar.

Da der Anteil des Grobstaubs mit Partikeldurchmessern über 10 µm und des Feinstaubs mit Durchmessern unter 0,3 µm im Gesamtstaub, der an Produktionsstätten der Industrie oder in Betrieben der Abfallwirtschaft anfällt, hoch ist, sich die Keimkonzentration im Grobstaub und Feinstaub in bezug auf die Gesamtbelastungen jedoch in der Regel als niedrig erweisen, sind Korrelationen zwischen Staubpartikel- und Keimkonzentrationen in diesem Bereich häufig nicht zu finden. Das Partikelkollektiv wird daher in unterschiedliche Partikelfraktionen auf­ geteilt und für diese getrennt erfaßt, um die statistischen Abhängigkeiten für die einzelnen Partikelfraktionen zu bestimmen. Dadurch ergeben sich besonders genaue und gut auswertba­ re Korrelationen zwischen Staubpartikelkonzentrationen und Keimkonzentrationen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Mikroorganismen bzw. Keimen in einem Gas umfaßt eine Meßzelle, die von dem Probengasstrom durchströmt wird und in der ein Lichtstrahl an den in dem Gasstrom enthaltenen Partikeln gestreut wird, eine Empfangseinrichtung, welche Streulicht empfängt und ein der Intensität des Streulichtes entsprechendes Signal abgibt, eine Auswerteeinrichtung, die das Signal empfängt und die Partikelkonzentration in dem Gasstrom für wenigstens einen Korngrößenbereich bestimmt, eine Filtereinrichtung, die der Meßzelle nachgeschaltet ist und einen Filter aufweist, der von dem Probengasstrom durchströmt wird und auf der sich die in dem Gasstrom enthaltenen Partikel niederschlagen, wobei der Filter aus der Filtereinrichtung entnehmbar ist, und eine Recheneinrichtung, die in die Vorrichtung integriert ist und abhängig von der Partikelkon­ zentration in dem Gasstrom die Keimkonzentration bestimmt, wobei die Recheneinrichtung einen Speicher aufweist, in dem jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Keimkonzentration für den wenigstens einen Korngrößenbereich abgelegt ist.

Die Filtereinrichtung weist vorzugsweise einen Mikronfilter auf, auf dem sich die Feststoff­ partikel absetzen und der in einen Inkubator eingebracht werden kann, um aus dem Proben­ gasstrom gefilterte Keime zu bebrüten und zu zählen, um das Verhältnis zwischen der Parti­ kelkonzentration und der Keimkonzentration für den wenigstens einen Korngrößenbereich zu ermitteln und so statistische Werte zu erheben bzw. um Meßergebnisse zu verifizieren.

Die Recheneinrichtung kann so ausgelegt sein, daß sie Partikelkonzentrationen in nur einem Korngrößenbereich bestimmt, wenn das Meßsystem nur einen bestimmten Mikroorganismus oder eine Keimart erfassen soll, oder sie kann dazu geeignet sein, Partikelkonzentrationen in dem Gasstrom für verschiedene, vorzugsweise wählbare Korngrößenbereiche zu bestimmen, wenn das Meßsystem zur Erfassung verschiedener, wählbarer Keimarten eingesetzt werden soll. In letzterem Fall gibt es vorzugsweise eine Eingabeeinrichtung zur Eingabe einer ge­ suchten Keimart, wobei die Recheneinrichtung abhängig von einer eingegebenen Keimart einen Korngrößenbereich wählt und die Partikelkonzentration in dem Gasstrom für diesen Korngrößenbereich bestimmt.

Es kann somit genau der gesuchte Korngrößenbereich erfaßt oder mehrere Korngrößenberei­ che erfaßt, jedoch nur der gesuchte Bereich ausgewertet werden.

Die Eingabeeinrichtung kann auch zu Eingabe einer Erfassungsumgebung geeignet sein.

In dem Speicher ist jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Keimkon­ zentration für die verschiedenen Korngrößenbereiche abgelegt. Vorzugsweise bestimmt die Recheneinrichtung die Keimkonzentration abhängig von der Partikelkonzentration in dem Gasstrom und der Erfassungsumgebung, wobei in dem Speicher dann für jede von mehreren vordefinierten Erfassungsumgebungen jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzen­ tration zur Keimkonzentration für die verschiedenen Korngrößenbereiche abgelegt ist.

Die ermittelte Keimkonzentration kann von dem Meßgerät direkt als absolute Keimanzahl angezeigt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Ansaugeinrichtung zum Er­ zeugen eines geregelten Probengasstroms durch die Meßzelle vorgesehen, um die Meßge­ nauigkeit zu erhöhen und die Empfindlichkeit des Meßsystems beeinflussen zu können.

Auch ist vorzugsweise eine Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Intensität zur Messung der Partikelkonzentration in unterschiedlichen Empfindlichkeitsberei­ chen vorgesehen.

Um das Meßsystem auch in für den Menschen nicht oder schlecht zugänglichen Bereichen betreiben zu können, wie in Hochreinräumen oder kontaminierten Räumen, kann eine Sen­ de/Empfangseinrichtung zum Empfangen von Steuersignalen und Abgeben von Meßsignalen vorgesehen sein, um das Meßsystem z. B. über ein Modem ferngesteuert zu betreiben.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Probengasstrom nach dem Durchströmen der Meßzelle wieder in die Umgebung abgegeben, der entnommen wurde, um beispielsweise kontaminierte Luft zurück in den Meßraum und nicht an die Atmosphäre zu leiten.

Weiterhin kann bei der Erfindung auch eine Alarmeinrichtung vorgesehen sein, die bei Über­ schreiten eines Grenzwertes der Partikelkonzentration und/oder der Keimkonzentration ein Alarmsignal abgibt, beispielsweise um vor einer unzulässig hohen Konzentration bestimmter Mikroorganismen/Keime zu warnen.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Eingang für einen Klimasensor aufweisen, wobei der Klimasensor insbesondere ein Windrichtungssensor ist, wobei die Re­ cheneinrichtung ein Modul zur Modellierung der Ausbreitung der Partikelkonzentration und/oder der Keimkonzentration abhängig von der erfaßte Windrichtung umfassen kann.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung einer Keimkonzentration in einem Gas, das die oben erläuterten Funktionen realisiert.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Meßzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Meßzelle der Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 kommt die zu untersuchende Luft über einen Lufteinlaß 90 in die Vorrichtung, wobei mittels eines Temperatur/Spannungs-Wandlers 80 die Temperatur der Luft erfaßt wird. Ein Vorabscheider 120 dient zur Absonderung von Partikeln mit einer Korngröße über 20 µm. Danach gelangt die Luft in die eigentliche Meßzelle 10, in der sich eine Laserdiode 11 mit zugehöriger Optik sowie eine PIN-Diode 12 befinden. Die Laserdiode und die PIN-Diode sind einem Gaslaser bzw. einem Photomuliplier vorzuziehen, weil sie unempfindlicher gegen Erschütterungen sind. Im übrigen ist ihre Lebensdauer verglichen mit einem Gaslaser oder einem Photomultiplier erheblich größer. Die Laserdiode 11 und die PIN-Diode 12 stellen den Kern eines Streulichtmeßgerätes dar.

In der Meßzelle 10 befindet sich einen Initialisiereinrichtung 30, die von einer Leuchtdiode 31 gebildet ist.

Nach Passieren der Meßzelle 10 wird die Luft einem hydrophilen Mikronfilter bspw. aus Zellulose-Mischester 20 zugeführt, der aus dem Meßsystem entnehmbar ist.

Zur Bewegung der Luft durch die Gesamtanordnung dient eine geregelte Pumpe 70, welche ein konstantes Fördervolumen von etwa 1,2 l/min liefert. Die Luft verläßt die Vorrichtung durch einen Luftauslaß 140. Die Luft durchströmt die Meßzelle 10 mit hoher Geschwindigkeit (≧ 20 m/s). Hinter dem Filter 20 und dem Auslaß 140 befindet sich ein steuerbares Ventil 131. Durch Umschaltung kann ein Filter 132 der Meßzelle 10 sehr reine Spülluft zuführen, so daß die Optik auf Nullzählung überprüft werden kann.

Fig. 2 zeigt die Anordnung sowie die Verschaltung der einzelnen Elemente der Vorrichtung. In Fig. 2 wird ein Lichtstrahl von der Laserdiode 11 erzeugt. Dieser passiert eine Optik, deren äußerste Linse mit 13 bezeichnet ist. Der mit Partikeln beladene Luftstrom kreuzt den mit 14 bezeichneten Strahlengang des Laserstrahls senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 2. Jeweils auf gegenüberliegenden Seiten sowohl bezüglich des Strahlengangs 14 als auch der Luft­ stromrichtung sind die PIN-Diode 12 und ein Spiegel 12a angeordnet. Das von den hindurch­ tretenden Partikeln in auf dem Strahlengang 14 senkrecht stehender Richtung gestreute Licht wird somit von der PIN-Diode 12 zum einen direkt und zum anderen über den Spiegel 12a indirekt empfangen.

In seinem weiteren Verlauf trifft der Laserstrahl auf eine Lichtfalle 33, z. B. einen teildurch­ lässigen Spiegel, der etwa 99% des einfallenden Lichts ausblendet. Das restliche Laserlicht, also etwa 1%, fällt auf den Photowiderstand 32. Der Photowiderstand 32 kann über einen Schalter 34 und einen Verstärker 35 auf die Leuchtdiode 31 zurückgekoppelt werden.

Die Betriebsweise der in den Figuren dargestellten Vorrichtung zur Messung der Partikel­ konzentration in dem Probengasstrom ist in der EB 0 391 256 B1 ausführlich beschrieben. Hierauf wird Bezug genommen.

Das Meßsignal am Ausgang des Ausgangsverstärkers 260 wird einer Recheneinheit 270 zuge­ führt. Die Recheneinheit umfaßt einen Speicher 274, eine Sende/Empfangseinrichtung 276, eine Alarmeinrichtung 278, einen Sensoreingang 280 und einen Dateneingang 282. Ferner ist eine Dateneingabeeinrichtung 284 vorgesehen, die z. B. als ein Tastenfeld realisiert sein kann.

Die Recheneinheit 270 empfängt das Ausgangssignal des Verstärkers 260, wobei sie den Ver­ stärker 260 abhängig von einer vorgegebenen oder gewählten Keimart so ansteuern kann, daß dieser das einer bestimmten Partikelfraktion bzw. einem Korngrößenbereich zugehörige Meß­ signal übergibt. Das zu dem gesuchten Korngrößenbereich gehörende Meßsignal wird in der Recheneinheit 270 derart verarbeitet, daß eine in dem Speicher 274 abgelegte Eichgerade oder ein entsprechender Multiplikator abgerufen und in der Recheneinrichtung mit dem Meßwert verknüpft wird.

Grundlage dieses Verfahrens ist die feste, lineare Abhängigkeit der Keimzahlen, die in den an Arbeitsplätzen emittierten Stäuben enthalten sind, von Partikelzahlen bestimmter keimrele­ vanter Größenfraktionen. Diese Abhängigkeit kann in Form einer Eichgeraden dargestellt werden, wobei die Partikelzahlen als Meßgerät-bezogene Relativwerte anzusehen sind. Die ermittelte mathematische Beziehung zwischen den Partikel- und Keimzahlen in einer Luft­ probe kann zur Berechnung der Keimzahlen auf Partikelbasis dann so lange herangezogen werden, wie sich die Partikelverteilung des untersuchten, luftgetragenen Staubes nicht ändert. Die Luftkeimzahlen können in diesen Zeiträumen auf Partikelbasis optional 0,1-minütig oder in längeren Meßintervallen errechnet werden. Die Validität des zur Berechnung der Keim­ zahlen ermittelten Verhältnisses zwischen Keimzahlen und Partikelzahlen ist zu jedem Zeit­ punkt des Meßintervalls mit einfachen Mitteln überprüfbar.

Die Keim- und Partikelmessungen sollten exakt zeitgleich durchgeführt werden. Die Meßzeit richtet sich nach den zu erwartenden Keimkonzentrationen in der Luft und soll die Nachweis­ grenze des Keimmeßverfahrens deutlich überschreiten. Die Partikelzahlen werden z. B. durch 0,1 minütige Messungen aufgenommen. Um eine Eichkurve über einen möglichst großen Konzentrationsbereich erstellen zu können, werden Messungen zu Zeiten durchgeführt, die durch den Arbeitsablauf bedingt deutlich unterschiedliche Keim- und Partikelkonzentrationen in der Luft erwarten lassen.

Die Meßdaten des Partikelzählgeräts werden in die Recheneinrichtung übertragen, in der alle im folgenden beschriebenen Rechenschritte ausgeführt werden. Die Meßdaten können in Masken abgelegt und anschließend bearbeitet werden.

Auf Luftvolumina bezogene Keimkonzentrationen sind als Integrale über die Zeitintervalle der Probenahme zu verstehen. Für jedes Zeitintervall einer Keimmessung kann die entspre­ chende (mittlere) Konzentration aller aufgenommenen Partikelfraktionen errechnet werden. Um die Ergebnisse aufeinander folgender Staub- und Keimmessungen rechnerisch in einen Zusammenhang bringen zu können, ist eine Vergleichbarkeit der untersuchten Stäube erfor­ derlich. Schließlich soll eine Aussage darüber erfolgen, jeder wievielte Partikel im unter­ suchten Staub, statistisch gesehen, ein Keim ist. Die Vergleichbarkeit mehrerer Staubproben wird über die Partikelverteilung im untersuchten Feinstaub geprüft. Hierzu wird der prozen­ tuale Anteil von jeder der Partikelfraktionen an der gemessenen Gesamtpartikelzahl bestimmt. Die so erhaltene Partikelverteilung im Staub muß längerfristig konstant bleiben.

Ist eine vergleichbare Partikelverteilung im Feinstaub bei aufeinander folgenden Messungen gegeben, können die jeweiligen Keimzahlen mit den entsprechenden, gemittelten Partikel­ zahlen in einer Eichgeraden zusammengefügt werden. Welche Partikelfraktion jeweils die höchste Korrelation aufweist, ist unterschiedlich und abhängig von der Größe der im unter­ suchten Staub zahlenmäßig dominierenden Mikroorganismenarten sowie der untersuchten Arbeitsplätze. Beispielsweise liegen im Falle der Bestimmung von Schimmelpilzsporen- Konzentrationen die am höchsten korrelierenden Fraktionen, der ungefähren Größe der Mehr­ heit der Schimmelpilzsporen entsprechend, in dem Bereich zwischen 1 und 5 µm. Bei Bakte­ rien wiederum, die an von Arbeitnehmern bearbeitetem Material in großer Zahl haften (z. B. Biomüll), liegen die höchsten Korrelationen im allgemeinen in Staubfraktionen mit größeren Partikeldurchmessern (10-15 µm). Es wird diejenige Partikelfraktion zur Erstellung der Eich­ geraden verwendet, die die höchste Korrelation mit den Keimzahlen aufweist.

Weitere Einzelheiten des Korrelationsverfahrens sind in der DE 198 36 905 A1 beschrieben, auf die Bezug genommen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Meßsystem können die Luftkeimkonzentrationen verschiedener Keimarten kontinuierlich überwacht werden. Bei Überschreitung eines Grenzwertes kann über die Alarmeinrichtung 278 eine Alarmfunktion ausgelöst werden.

Über den Sensoreingang 280 können zusätzlich Sensoren für Temperatur, Feuchtigkeit oder beispielsweise Windgeschwindigkeit angeschlossen werden, welche die Keimkonzentrationen beeinflussen können. Die Meßsignale dieser Sensoren körnen bei der Auswertung der Parti­ kelkonzentrationen berücksichtigt werden; so kann die Recheneinheit 270 beispielsweise auf­ grund einer ermittelten Windrichtung ein Ausbreitungsprofil der Keime ermitteln.

Über die Dateneingabeeinrichtung 284 und den Dateneingang 282 kann einerseits die ge­ suchte Keimart ausgewählt werden; andererseits können andere für die Messung relevante Parameter, wie eine spezifische Meßumgebung eingegeben werden. Die bisher durchgeführ­ ten statistischen Auswertungen haben nämlich gezeigt, daß die Korrelation von Staubpartikel­ konzentrationen und Keimkonzentrationen je nach Meßumgebung unterschiedlich ist. Es er­ geben sich beispielsweise verschiedene statistische Werte für Reinräume, Operationssäle, Arbeitsplätze der Abfallwirtschaft etc., so daß für die verschiedenen spezifischen Meßumge­ bungenen unterschiedliche Eichgeraden oder Korrelationen verwendet werden müssen.

Parallel zu der Messung und Auswertung der Partikelkonzentrationen sammeln sich alle die Meßzelle 10 passierenden Partikel in dem Mikronfilter 20, beispielsweise einem hydrophilen Tiefenfilter aus Zellulose-Mischester mit einer Porenweite von 1,0 µm und feiner. Dieser Fil­ ter kann im Anschluß an die Probennahme zur Überprüfung des Meßergebnisses oder zur Erhebung der statistischen Werte und Ermittlung der Eichgeraden direkt auf ein Nährmedium aufgelegt werden. Durch ein aufgedrucktes Gitternetz können gewachsene Kolonien unter einem Binokular ausgezählt werden. Der Vorteil dieses Meßverfahrens ist, daß die Mikroor­ ganismen schonend gesammelt werden und die Verluste daher relativ gering sind. Ferner bleiben häufig vorkommende Keimagregationen erhalten. Außerdem wird sichergestellt, daß die Streulichtmessung und die Keimzählung an derselben Probe vorgenommen werden, so daß veränderliche Parameter des Meßgerätes und der Umgebung das Ergebnis nicht verfäl­ schen können.

Die Erfindung eignet sich zur Bestimmung von Keimkonzentrationen auf der Grundlage von Staubpartikelkonzentrationen an Meßorten im Bereich der Abfallwirtschaft, sowie bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten und Lebensmitteln sowie in vielen anderen Be­ reichen, in denen die Keimkonzentration relevant ist. Die Erfindung basiert auf der statisti­ schen Abhängigkeit zwischen Staubpartikelkonzentrationen verschiedener, keimrelevanter Größenfraktionen einerseits und Luftkeimkonzentrationen andererseits, wobei die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren angibt, mit dem die Keimkonzentrationen in Echtzeit gemessen werden können, sofern die statistischen Abhängigkeiten für die jeweilige Meßum­ gebung im voraus ermittelt wurden, bzw. mit dem eine Bestimmung dieser statistischen Ab­ hängigkeiten möglich ist. Die Erfindung hat den Vorteil, daß all diese Funktionen in einem kompakten Meßgerät realisiert werden können, ohne zusätzliche Auswerte- oder Rechenein­ richtungen zu benötigen.

Bei Überschreitung eines Grenzwerts können sofort Alarmfunktionen ausgelöst werden, so daß es beispielsweise nicht zu einer Kontamination von Produktionsgütern durch luftgetrage­ ne Mikroorganismen kommen kann. Bisher durchgeführte, mikrobiologische Untersuchun­ gen, die Stichprobencharakter haben, können dadurch entfallen. Über die Recheneinrichtung können die Verlaufsformen gewünschter Mikroorganismen erfaßt und ausgewertet werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (26)

1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration von Mikroorganismen in einem Gas, mit
einer Meßzelle (10), die von einem Probengasstrom durchströmt wird und in der ein Lichtstrahl an den in dem Gasstrom enthaltenen Partikeln gestreut wird,
mindestens einer Empfangseinrichtung (12, 12a), welche Streulicht empfängt und ein der Intensität des Streulichtes entsprechendes Signal abgibt,
einer Auswerteeinrichtung (40-47, 150), die das Signal empfängt und die Partikelkon­ zentration in dem Gasstrom für wenigstens einen Korngrößenbereich bestimmt,
einer Filtereinrichtung (20), die der Meßzelle nachgeschaltet ist und einen Filter auf­ weist, der von dem Probengasstrom durchströmt wird und auf der sich die in dem Gasstrom enthaltenen Partikel niederschlagen, wobei der Filter aus der Filtereinrich­ tung entnehmbar ist, und
einer Recheneinrichtung (270), die in die Vorrichtung integriert ist und abhängig von der Partikelkonzentration in dem Gasstrom die Konzentration von Mikroorganismen bestimmt, wobei die Recheneinrichtung (270) einen Speicher (294) aufweist, in dem jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Konzentration von Mikroorganismen für den wenigstens einen Korngrößenbereich abgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrich­ tung (20) einen Mikronfilter aufweist, der in einen Inkubator einbringbar ist, um aus dem Probengasstrom gefilterte Mikroorganismen zu bebrüten und zu zählen, um das Verhältnis zwischen der Partikelkonzentration und der Konzentration von Mikroorga­ nismen für den wenigstens einen Korngrößenbereich zu ermitteln.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Re­ cheneinrichtung (270) dazu geeignet ist, Partikelkonzentrationen in dem definierten Gasstrom für verschiedene Korngrößenbereiche zu bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenein­ richtung (270) dazu geeignet ist, Partikelkonzentrationen in dem Gasstrom für ver­ schiedene einstellbare Korngrößenbereiche zu bestimmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher (274) jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Kon­ zentration von Mikroorganismen für die verschiedenen Korngrößenbereiche abgelegt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinrichtung (284) zur Eingabe einer gesuchten Mikroorganismenart.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenein­ richtung (270) abhängig von einer eingegebenen Mikroorganismenart einen Korngrö­ ßenbereich wählt und die Partikelkonzentration in dem Gasstrom für diesen Korngrö­ ßenbereich bestimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einga­ beeinrichtung (284) auch zu Eingabe einer Erfassungsumgebung geeignet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenein­ richtung (270) die Konzentration von Mikroorganismen abhängig von der Partikelkon­ zentration in dem Gasstrom und der Erfassungsumgebung bestimmt, wobei in dem Speicher (274) für jeden von mehreren vordefinierten Erfassungsumgebungen jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Konzentration von Mikroor­ ganismen für die verschiedenen Korngrößenbereiche abgelegt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ansaugeinrichtung (70) zum Erzeugen eines geregelten Probengasstroms durch die Meßzelle (10).

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (11) zur Erzeugung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Intensität zur Messung der Partikelkonzentration in unterschiedlichen Empfindlichkeitsbereichen und/oder Korngrößenspektren.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sende/Empfangseinrichtung (276) zum Empfangen von Steuersignalen und Ab­ geben von Meßsignalen, um die Vorrichtung ferngesteuert zu betreiben.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probengasstrom nach dem Durchströmen der Meß­ zelle (10) wieder in die Ursprungsumgebung abgegeben wird.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Alarmeinrichtung (278), die bei Überschreiten eines Grenzwertes der Partikel­ konzentration und/oder der Konzentration von Mikroorganismen ein Alarmsignal ab­ gibt.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Eingang für einen Klimasensor (280).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang (280) für einen Windrichtungssensor vorgesehen ist, wobei die Recheneinrichtung (270) ein Modul zur Modellierung der Ausbreitung der Partikelkonzentration und/oder der Konzentration von Mikroorganismen umfaßt.

17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der ermittelten Konzentration der Partikel und/oder der Mikroorganismen.

18. Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration von Mikroorganismen in einem Gas, bei dem
eine Meßzelle (10) von einem Probengasstrom durchströmt wird und in der Meßzelle (10) ein Lichtstrahl an den in dem Gasstrom enthaltenen Partikeln gestreut wird,
aus dem Streulicht ein der Intensität des Streulichtes entsprechendes Signal erzeugt wird, und
abhängig von dem Signal die Partikelkonzentration in dem Gasstrom für wenigstens einen Korngrößenbereich bestimmt wird,
der Meßzelle (10) ein Filter (20) nachgeschaltet wird, der von dem Probengasstrom durchströmt wird und auf der sich die in dem Gasstrom enthaltenen Partikeln niederschlagen, wobei der Filter (20) aus der Vorrichtung entnehmbar ist, und
abhängig von der Partikelkonzentration in dem Gasstrom die Konzentration von Mi­ kroorganismen von einer Recheneinrichtung (270) bestimmt wird, wobei die Rechen­ einrichtung (270) in die Vorrichtung integriert ist und einen Speicher (274) aufweist, in dem jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Konzentration von Mikroorganismen für den wenigstens einen Korngrößenbereich abgelegt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (20) in einen Inkubator eingebracht wird und aus dem Probengasstrom gefilterte Mikroorga­ nismen bebrütet und gezählt werden, um das Verhältnis zwischen der Partikelkonzen­ tration und der Konzentration von Mikroorganismen für den wenigstens einen Korn­ größenbereich zu ermitteln.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel­ konzentrationen in dem Gasstrom für verschiedene Korngrößenbereiche bestimmt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß Partikelkonzentra­ tionen in dem Gasstrom für verschiedene einstellbare Korngrößenbereiche bestimmt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher (274) jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Kon­ zentration von Mikroorganismen für die verschiedenen Korngrößenbereiche abgelegt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18-22, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesuchte Mikroorganismenart eingegeben wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekenzeichnet, daß abhängig von der eingegebenen Mikroorganismenart einen Korngrößenbereich gewählt und die Parti­ kelkonzentration in dem Gasstrom für diesen Korngrößenbereich bestimmt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Er­ fassungsumgebung eingegeben wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von Mikroorganismen abhängig von der Partikelkonzentration in dem Gasstrom und der Erfassungsumgebung bestimmt wird, wobei in dem Speicher (274) für jeden von mehreren vordefinierten Erfassungsumgebungen jeweils wenigstens ein Verhältnis der Partikelkonzentration zur Konzentration von Mikroorganismen für die verschiedenen Korngrößenbereiche abgelegt wird.