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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration von Mikroorganismen
in einem Probengasstrom.
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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
An, Ausmaß und
Dauer erforderlich.
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Freie oder aggregierte in der Luft
auftretende Mikroorganismen unterliegen als Luftkeime den gleichen
physikalischen Gesetzen, die für
alle partikelförmige
Stoffe in Luft gelten. Luftkeimmessungen könnten daher grundsätzlich als
eine besondere An der Staubpartikelmessung angesehen werden. Ein bewährtes Verfahren
für die
quantitative Bestimmung des Luftstaubes ist das Personengetragene
Gesamtstaub-Probenahmesystem (PGP) nach BIA (Berufsgenossenschaftliches
Institut für
Arbeitssicherheit, Sankt Augustin), das als das derzeit am besten
geeignete Meßverfahren
für potentiell
humanpathogene Stäube
angesehen wird.
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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 wieder und werden vom Bundesministerium
für Arbeit
und Sozialordnung im Bundesarbeitsblatt bekanntgegeben. In der TRBA 430 ist
beispielsweise die Bestimmung von Schimmelpilzsporen in der Luft
geregelt.
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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 niedrigen
Pilzsporenkonzentrationen können
die beaufschlagten Filter direkt auf Nährmedien aufgelegt 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.
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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 heranwachsenden Kolonien ausgezählt. Die
Hauptvorteile dieser Vorgehensweise, die als Indirekte Methode bezeichnet
wird, liegen in der Ermöglichung
langer Probenahmezeiten. Hauptnachteil dieser Methode ist der zu
betreibende materielle und labortechnische Aufwand der lange Zeitraum
zwischen Probenahme und Vorliegen der Meßergebnisse und die lange Probenahmedauer,
die bei niedrigen Keimkonzentrationen nötig wird (Verdünnung der
auf den Filtern abgeschiedenen Keime um den Faktor 100 durch Ausspateln
eines Teils der Stammlösung).
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Das über die TRBA 430 geregelte
Meßverfahren
hat sich aus verschiedenen Gründen
gegenüber
anderen Meßverfahren
durchgesetzt. Zum einen erfüllt
das verwendete Probenahmegerät
die in der EN 48l "Festlegung
der Teilchengrößenverteilung
zur Messung luftgetragener Partikel" genannten Kriterien. Weiterhin erfolgt
die Probenahme netzunabhängig,
was auch personenbezogene 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.
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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 Meßverfahren. 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 maximal 100.000 Keimen/m3 möglich. Mit steigender
Keimzahl nehmen die Ungenauigkeiten infolge Überbelegung mit Mikroorganismen
stark zu.
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Weder die in der TRBA 430 festgeschriebenen
Verfahren, noch alle anderen Bestimmungsmethoden, 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 aufgrund des benötigten hohen Material- und Zeitaufwandes
und den daraus entstehenden Kosten derzeit als nicht praktikabel
anzusehen.
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Als Alternative ergibt sich daher
allenfalls der Einsatz physikalischer Meßverfahren, mit denen 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
kontinuierliche Keimmessung wesentlich zu vereinfachen und Kosten
einzusparen.
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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 Staubmeßgeräte.
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Bei den gravimetrischen Bestimmungsmethoden
wird der in einem bestimmten Luftvolumen, das durch Pumpen angesaugt
wird, vorhandene Staub auf Filtern gesammelt und sein Gewicht 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.
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Bei gravimetrischen Bestimmungsmethoden werden
sehr lange Probenahmezeiten benötigt,
um ausreichend große
Staubmengen für
die Auswertung zu erhalten. Personenbezogene Probenahmen sind daher
allenfalls bei sehr hohen Staubkonzentrationen an Arbeitsplätzen möglich. 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 großen
Intervallen bestimmt werden können.
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Die üblicherweise für die Bestimmung
von Staubkonzentrationen an Arbeitsplätzen eingesetzten 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
erfolgen, können
die Geräte
ohne Sammelfilter lediglich zur Abschätzung der tatsächlich vorhandenen
Staubkonzentrationen in bekannten Arbeitsplatzatmosphären, wie
dem Bergbau, eingesetzt werden. Die Möglichkeit der Durchführung von
personenbezogenen Arbeitsplatzmessungen 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 Staubkorngrößenfraktionen parallel erfaßt werden
können.
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Die Vorteile von Partikelzählungen
liegt in der hohen Sensitivität
sowie der Möglichkeit
einer Staubcharakterisierung durch die gleichzeitige Zählung mehrerer
verschiedener Partikelgrößen. Durch die
Möglichkeit
der Begrenzung der Meßintervalle auf
bis zu 0,1 Minute Meßdauer
können
zeitlich hoch aufgelöste
Konzentrationsverläufe
bestimmt werden. Einige Partikelzählgeräte sind tragbar und somit für personenbezogene
Messungen verwendbar. Partikelzählgeräte sind
gut einsetzbar, wenn man die Meßergebnisse
auf einige relevante Partikelgrößen beschränkt.
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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 Staubpartikelkonzentrationen bekannt.
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Das Verfahren beruht auf einer korrelierten Partikelzählung, wonach
die statischen Abhängigkeiten
zwischen Staubpartikeln keimrelevanter Größenfraktionen einerseits und
Luftkeimkonzentrationen andererseits bestimmt werden. Da der Anteil
des Grobstaubs am Gesamtstaub, 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 Gesamtstaub- und Luftkeimkonzentrationen
hier oftmals nicht oder nur mit sehr großem meßtechnischen Aufwand zu finden. Daher
wird das Partikelkollektiv unterteilt in verschiedene Partikelfraktionen
erfaßt
und die statischen Abhängigkeiten
für jede
einzelne Partikelfraktion bestimmt. Die Keimkonzentrationen können – im Anschluß an eine
statische Datenbearbeitung zum Aufspüren von Ausreißem der
Partikelverteilung – aus den
kontinuierlich gemessenen Staubpartikel-Konzentrationen errechnet
werden.
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Diese Druckschrift beschreibt jedoch
keine Vorrichtung, mit der das Verfahren ausgeführt werden könnte.
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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 abgibt 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 durchströmt wird
und auf der sich die in dem Gasstrom enthaltenen Partikel niederschlagen, wobei
der Filter eine gravimetrische Bestimmung der Partikelzahlen erlaubt.
Diese Druckschrift befaßt
sich nicht mit der Bestimmung von Keimkonzentrationen.
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Schließlich ist aus der
DE 94 18 434 U eine Keimzahlbestimmungsanordnung
für den
klinischen Bereich mit einem Meßvolumen,
dem auf Keime zu untersehende 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.
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Die Recheneinheit ist in einem PC
realisiert, der außerhalb
des Untersuchungsraumes angeordnet ist.
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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
Standes der Technik.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch
17 gelöst.
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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 aufgrund
empirisch ermittelter Korrelationen für spezifische Meßumgebungen
den gesuchten Keimkonzentrationen zugeordnet werden. Die Erfindung
hat den Vorteil, daß alle
für die
statistische 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 A 1 beschrieben, auf die Bezug
genommen wird.
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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 Staubpartikelmeßgeräts 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.
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Die Erfindung ermöglicht eine Prognose der Verläufe der
Luftkeimkonzentrationen an Arbeitsplätzen und in Produktionsbereichen
der Pharma- und Lebensmittel-Industrie auf Basis der (differentiellen) Messung
der Konzentrationen von Staubpartikeln verschiedener Größenfraktionen.
Die Luftkeimkonzentrationen werden anhand der in eigenen Datenbanken
festgeschriebenen, linearen Abhängigkeiten der
Keimzahlen, die in den an den Meßorten emittierten Stäuben enthalten
sind, von Partikelzahlen bestimmter keimrelevanter Größenfraktionen,
errechnet. 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
zwischen Keim- und Staubpartikelzahlen über Kalibriergeraden ist nicht
mehr nötig,
da die mathematischen Beziehungen zwischen Partikel- und den Keimzahlen bereits
ermittelt wurden und in dem Meßgerät gespeichert
sein können.
Die Luftkeimzahlen können
solange auf Partikelbasis errechnet werden, wie sich die Partikelverteilung
im luftgetragenen Staub gegenüber
den vorliegenden Erfahrungswerten nicht ändert. Die Validität des zur
Berechnung der Keimzahlen ermittelten Verhälttnisses zwischen Keimzahlen
und Partikelzahlen ist zu jedem Zeitpunkt des Meßintervalls durch Filtration
der Keime überprüfbar.
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Da der Anteil des Grobstaubs mit
Partikeldurchmessem über
10 μm und
des Feinstaubs mit Durchmessem 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 aufgeteilt und für diese getrennt erfaßt, um die
statistischen Abhängigkeiten
für die
einzelnen Partikelfraktionen zu bestimmen. Dadurch ergeben sich
besonders genaue und gut auswertbare Korrelationen zwischen Staubpartikelkonzentrationen
und Keimkonzentrationen.
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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 Partikelkonzentration 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.
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Die Filtereinrichtung weist vorzugsweise
einen Mikronfilter auf, auf dem sich die Feststoffpartikel absetzen
und der in einen Inkubator eingebracht werden kann, um aus dem Probengasstrom
gefilterte Keime zu bebrüten
und zu zählen,
um das Verhältnis zwischen
der Partikelkonzentration und der Keimkonzentration für den wenigstens
einen Korngrößenbereich
zu ermitteln und so statistische Werte zu erheben bzw. um Meßergebnisse
zu verifizieren.
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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 gesuchten Keimart, wobei
die Recheneinrichtung abhängig
von einer eingegebenen Keimart einen Korngrößenbereich wählt und
die Partikelkonzentration in dem Gasstrom für diesen Korngrößenbereich
bestimmt.
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Es kann somit genau der gesuchte
Korngrößenbereich
erfaßt
oder mehrere Korngrößenbereiche
erfaßt,
jedoch nur der gesuchte Bereich ausgewertet werden.
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Die Eingabeeinrichtung kann auch
zu Eingabe einer Erfassungsumgebung geeignet sein.
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In dem Speicher ist jeweils wenigstens
ein Verhältnis
der Partikelkonzentration zur Keimkonzentration 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 Partikelkonzentration zur Keimkonzentration für die verschiedenen
Korngrößenbereiche
abgelegt ist.
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Die ermittelte Keimkonzentration
kann von dem Meßgerät direkt
als absolute Keimanzahl angezeigt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Ansaugeinrichtung zum Erzeugen eines geregelten
Probengasstroms durch die Meßzelle
vorgesehen, um die Meßgenauigkeit
zu erhöhen
und die Empfindlichkeit des Meßsystems
beeinflussen zu können.
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Auch ist vorzugsweise eine Lichtquelle
zur Erzeugung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Intensität zur Messung
der Partikelkonzentration in unterschiedlichen Empfindlichkeitsbereichen
vorgesehen.
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Um das Meßsystem auch in für den Menschen
nicht oder schlecht zugänglichen
Bereichen betreiben zu können,
wie in Hochreinräumen
oder kontaminierten Räumen,
kann eine Sende/Empfangseinrichtung zum Empfangen von Steuersignalen
und Abgeben von Meßsignalen
vorgesehen sein, um das Meßsystem
z.B. über
ein Modem ferngesteuert zu betreiben.
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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.
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Weiterhin kann bei der Erfindung
auch eine Alarmeinrichtung vorgesehen sein, die bei Überschreiten
eines Grenzwertes der Partikelkonzentration und/oder der Keimkonzentration
ein Alarmsignal abgibt, beispielsweise um vor einer unzulässig hohen Konzentration
bestimmter Mikroorganismen/Keime zu warnen.
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Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen Eingang für
einen Klimasensor aufweisen, wobei der Klimasensor insbesondere
ein Windrichtungssensor ist, wobei die Recheneinrichtung ein Modul
zur Modellierung der Ausbreitung der Partikelkonzentration und/oder
der Keimkonzentration abhängig
von der erfaßte
Windrichtung umfassen kann.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren
zur Bestimmung einer Keimkonzentration in einem Gas, das die oben
erläuterten
Funktionen realisiert.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand
bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug auf die Figuren näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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- 1 den prinzipiellen
Aufbau der Meßzelle
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
und
- 2 eine schematische
Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit der Meßzelle
der 1.
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Gemäß 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.
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In der Meßzelle 10 befindet
sich einen Initialisiereinrichtung 30, die von einer Leuchtdiode 31 gebildet
ist.
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Nach Passieren der Meßzelle l0 wird
die Luft einem hydrophilen Mikronfilter bspw. aus Zellulose-Mischester 20 zugeführt, der
aus dem Meßsystem entnehmbar
ist.
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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.
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2 zeigt
die Anordnung sowie die Verschaltung der einzelnen Elemente der
Vorrichtung. In 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 2.
Jeweils auf gegenüberliegenden
Seiten sowohl bezüglich
des Strahlengangs 14 als auch der Luftstromrichtung sind
die PIN-Diode 12 und ein Spiegel 12a angeordnet.
Das von den hindurchtretenden 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.
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In seinem weiteren Verlauf trifft
der Laserstrahl auf eine Lichtfalle 33, z. B. einen teildurchlässigen 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.
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Die Betriebsweise der in den Figuren
dargestellten Vorrichtung zur Messung der Partikelkonzentration
in dem Probengasstrom ist in der
EB 0 391 256 B1 ausführlich beschrieben. Hierauf
wird Bezug genommen.
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Das Meßsignal am Ausgang des Ausgangsverstärkers 260 wird
einer Recheneinheit 270 zugeführt. 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.
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Die Recheneinheit 270 empfängt das
Ausgangssignal des Verstärkers 260,
wobei sie den Verstärker 260 abhängig von
einer vorgegebenen oder gewählten
Keimart so ansteuern kann, daß dieser das
einer bestimmten Partikelfraktion bzw. einem Korngrößenbereich
zugehörige
Meßsignal übergibt. Das
zu dem gesuchten Korngrößenbereich
gehörende
Meßsignal
wird in der Recheneinhait 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.
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Grundlage dieses Verfahrens ist die
feste, lineare Abhängigkeit
der Keimzahlen, die in den an Arbeitsplätzen emittierten Stäuben enthalten
sind, von Partikelzahlen bestimmter keimrelevanter 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 Luftprobe 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 Keimzahlen ermittelten Verhältnisses
zwischen Keimzahlen und Partikelzahlen ist zu jedem Zeitpunkt des
Meßintervalls
mit einfachen Mitteln überprüfbar.
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Die Keim- und Partikelmessungen sollten
exakt zeitgleich durchgeführt
werden. Die Meßzeit
richtet sich nach den zu erwartenden Keimkonzentrationen in der
Luft und soll die Nachweisgrenze 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.
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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.
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Auf Luftvolumina bezogene Keimkonzentrationen
sind als Integrale über
die Zeitintervalle der Probenahme zu verstehen. Für jedes
Zeitintervall einer Keimmessung kann die entsprechende (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
erforderlich. Schließlich
soll eine Aussage darüber
erfolgen, jeder wievielte Partikel im untersuchten Staub, statistisch
gesehen, ein Keim ist. Die Vergleichbarkeit mehrerer Staubproben
wird über
die Partikelverteilung im untersuchten Feinstaub geprüft. Hierzu wird
der prozentuale Anteil von jeder der Partikelfraktionen an der gemessenen
Gesamtpartikelzahl bestimmt. Die so erhaltene Partikelverteilung
im Staub muß längerfristig
konstant bleiben.
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Ist eine vergleichbare Partikelverteilung
im Feinstaub bei aufeinander folgenden Messungen gegeben, können die
jeweiligen Keimzahlen mit den entsprechenden, gemittelten Partikelzahlen
in einer Eichgeraden zusammengefügt
werden. Welche Partikelfraktion jeweils die höchste Korrelation aufweist, ist
unterschiedlich und abhängig
von der Größe der im
untersuchten 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 Mehrheit der Schimmelpilzsporen
entsprechend, in dem Bereich zwischen 1 und 5 μm. Bei Bakterien 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 Eichgeraden verwendet,
die die höchste
Korrelation mit den Keimzahlen aufweist.
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Weitere Einzelheiten des Korrelationsverfahrens
sind in der
DE 198
36 905 A1 beschrieben, auf die Bezug genommen wird.
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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.
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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 Partikelkonzentrationen berücksichtigt werden; so kann
die Recheneinheit 270 beispielsweise aufgrund einer ermittelten
Windrichtung ein Ausbreitungsprofil der Keime ermitteln.
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Über
die Dateneingabeeinrichtung 284 und den Dateneingang 282 kann
einerseits die gesuchte Keimart ausgewählt werden; andererseits können andere
für die
Messung relevante Parameter, wie eine spezifische Meßumgebung
eingegeben werden. Die bisher durchgeführten statistischen Auswertungen
haben nämlich
gezeigt, daß die
Korrelation von Staubpartikelkonzentrationen und Keimkonzentrationen
je nach Meßumgebung
unterschiedlich ist. Es ergeben sich beispielsweise verschiedene
statistische Werte für
Reinräume,
Operationssäle,
Arbeitsplätze der
Abfallwirtschaft etc., so daß für die verschiedenen
spezifischen Meßumgebungenen
unterschiedliche Eichgeraden oder Korrelationen verwendet werden
müssen.
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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 Filter 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
Mikroorganismen 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 verfälschen können.
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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 Bereichen, in
denen die Keimkonzentration relevant ist. Die Erfindung basiert auf
der statistischen 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
Meßumgebung
im voraus ermittelt wurden, bzw. mit dem eine Bestimmung dieser
statistischen Abhängigkeiten
möglich
ist. Die Erfindung hat den Vorteil, daß all diese Funktionen in einem
kompakten Meßgerät realisiert
werden können,
ohne zusätzliche Auswerte-
oder Recheneinrichtungen zu benötigen.
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Bei Überschreitung eines Grenzwerts
können
sofort Alarmfunktionen ausgelöst
werden, so daß es
beispielsweise nicht zu einer Kontamination von Produktionsgütern durch
luftgetragene Mikroorganismen kommen kann. Bisher durchgeführte, mikrobiologische
Untersuchungen, die Stichprobencharakter haben, können dadurch
entfallen. Über
die Recheneinrichtung können
die Verlaufsformen gewünschter
Mikroorganismen erfaßt
und ausgewertet werden.
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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.