DE102020006116A1 - Kontinuierliches Verfahren mit Vorrichtung zur Inaktivierung infektiöser, biologischer Partikel in der Luft bzw. Aerosol, durch Einsatz von kurzwelligen IR-Elementen als thermische Behandlung in einem Reaktor mit kontinuierlicher Aerosol-Durchleitung - Google Patents

Abstract

Kontinuierliches Verfahren mit Vorrichtung zur Inaktivierung infektiöser, biologischer Partikel in der Luft bzw. Aerosol, durch Einsatz von kurzwelligen IR-Elementen als thermische Behandlung in einem Reaktor mit kontinuierlicher Aerosol-Durchleitung.Das Verfahren findet Einsatz in der Lebensmittelindustrie, vorzugsweise in der Fleischindustrie auch bei niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchte um Corona-Viren und andere biologisch, infektiöse Partikel, irreversibel zu inaktivieren, wobei Inaktivierungszeiten von 0,1 bis 1 Sekunde erreicht werden. Das Verfahren ist einfach, wirtschaftlich und technisch erprobt und hat gegenüber anderen Verfahren als Stand der Technik wesentliche Vorteile.

Description

• Es handelt sich hier um ein physikalisches Verfahren, als thermische Inaktivierung, welches Mikroorganismen in situ durch IR-Strahlung, dass in einem Reaktor der als Zylinder oder Quader ausgebildet ist, IR-Elemente installiert sind, die bei etwa 0,8 bis 1,4 µm - ein Absorptionsmaximum besitzen, dass im Aerosol befindliche Materie in Gestalt von organischen Partikeln zuverlässig durch Energie-Zufuhr inaktiviert.
• Thermische Inaktivierung von Viren ist bekannt und wurde in vielen Bereichen erforscht und bereits angewendet, wie bei der Sterilisation von Lebensmitteln, Wasser-Reinigung und andere Applikationen ohne Aerosol-Behandlung. Es sind kaum Publikationen im Bereich von Aerosol- / Luft-Entkeimung für den Spezialfall Viren erschienen. Zum Schutz der Luftumgebung vor Bioaerosolgefahren stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Die UV-Entkeimung und Inaktivierung von Mikroben durch UV-Strahlung ist zahlreich publiziert.
• Wärmebehandlung wurde als wirksam zur Inaktivierung lebensfähiger Bakterien befunden (Northrop und Slepecky 1967; Setlow 1995; Stumbo 1973) und Viren (Johnson et al. 2007; Stonehouse und Stockley 1993). Die meisten früheren Studien wurden jedoch durchgeführt in erster Linie motiviert durch Nicht-Aerosol -Anwendungen, wie die Sterilisation von Lebensmitteln, Wasserreinigung und Oberflächen Dekontamination.
• Im Besonderen ist die Anwendung aktuell gefragt in Bezug auf das Corona-Virus / Covid-19 / SARS-CoV-2, welches zu Problemfällen in der Fleisch- und Geflügel-Industrie führte. Dort ist der dritte Übertragungsweg im Aerosol aufgetreten, welches durch eine Klimaanlage angereichert und verteilt wurde. Diese Anwendung ist deshalb in geschlossenen Räumen, wie der Fleischzerlegung einsetzbar.
• Als Stand der Technik beschreibt Aerosol Science and Technology, 44: 1042 - 1048, 2010 ein Verfahren über die Inaktivierung von MS2 Virus im Aerosol, wobei ein Heizelement Mighty-Watt Heater, Gordo Sales Inc., Layton UT/ USA eingesetzt wurde. Es wurde eine Testkammer aus Glas mit einem axial Heizelement mittig installiert. Es wurde ein Aerosol mit einer definierten Menge an MS2-Bakteriophagen in den Luftstrom gebracht und bei Durchflussraten 18 Liter bis 36 Liter pro Minute, bei Temperaturen von 50°C bis 300°C gearbeitet.
• Das hier verwendete runde Ohmsche-Widerstand-Heizelement ist ein Heitz Stab mit etwa 500 W, regelbar im Bereich von 50 bis 160 V in einem 304-Edelstahl-Körper mit einer Magnesium-Oxid Füllung, welcher mit einem Potentiometer in der Spannung eingestellt wurde. Die maximale hier eingesetzte Temperatur war 300°C, die nach einer Wartezeit erst erreicht wurde.
• Die Inaktivierung dieses «harten Virus», der bekannt aus früheren Arbeiten bei der Firma Bayer AG , Leverkusen im wässrigen Medium ist und mit HOCI im Sauren nur 1 -2 Logstufen reduziert werden konnte, wurde im relativ kleinem Zeitintervall von 0,1 - bis 1 - bzw. 2 Sekunden bei 90°C bis 250°C im Aerosol, wie im Literaturbeispiel [005] beschrieben, inaktiviert. Das Resultat wurde mit 99,999% Inaktivierung angegeben - und verliert mit hoher Wahrscheinlichkeit 100% ihrer Infektiosität während der kurzfristigen Exposition in relativ trockener Hitze.
• Heute wird als Stand der Technik der Einsatz von UV-Strahlung grösstenteils im Bereich von 254 nm propagiert und umgesetzt. Allerdings gibt es bis heute nur wenige Publikationen, wo ein Corona-Virus inaktiviert oder beispielsweise harte Phagen, wie MS2 inaktiviert wurde. Ein bekannter Hersteller Heraeus bietet ein weites Spektrum von IR- und UV-Strahlungsquellen an. Harte UV-Strahlung im Bereich von 170-190 nm inaktiviert zuverlässig Viren. Es gibt bis heute keine Studie, dass Corona-Viren (Covid-19) gut bei hoher Luftfeuchte in einem Aerosol inaktiviert werden.
• Literaturrecherchen ergaben folgende Publikation: www.ledsmagazine.com, Boston Universität validierte UV-C Licht mit einer Dosierung von 22 mJ/cm² eine log 6 Reduktion in 25 Sekunden des SARS-CoV-2 Virus, mit 99,99%. Niedrige Dosen von 1,2 und 1,7 und 3 mJ/cm² ergaben schlechtere Werte bei 207-222 nm UV-Bereich in 8,16 und 25 Minuten. Diese Werte wurden zum Teil bei nur 30% relative Luftfeuchte erreicht. Leider nimmt die Leistung der UV-Röhre über die Zeit ab, was als ein weiterer Nachteil zu werten ist.
• Die Bestrahlungsdosis: UV-Dosis (m W s /cm²) = Intensität (mW/cm²) x Zeit (s) - eine Umrechnung ergibt, dass eine Letale UV-Dosis erreicht werden kann. Das sieht aber bei hohen Wasserdampfgehalten schon etwas anders aus. Wenn man die hier genannte Zeit akzeptiert und diese mit einer thermischen Inaktivierung vergleicht, erkennt man unschwer dass hier 0,1-1 Sekunde gegenüber 25 Sekunden (u. Nb.) steht, die bei hoher Luftfeuchte (wie in Fleischbetrieben vorherrscht) wesentlich schlechter aussieht. Bei 0,1 Sekunden Inaktivierungszeit ist die thermische Inaktivierung 250 mal schneller - also besser!
• Jeder Filter ist eine mechanische Zurückhaltung und verliert von dem ersten Tag an Kapazität und zwar eine exponentielle Abnahme. Nicht sonderlich gut an dieser Lösung ist daraus folgend der Umstand, dass die Filter nach Ablauf ihrer Kapazität wieder ausgetauscht werden müssen. Weiter muss die Leckrate beim Einbau der Kassetten bestimmt werden. Hepa-Filter halten Viren zurück - keine Frage, aber sie inaktivieren diese nicht. Das bedeutet, dass eine Person in Schutzkleidung die Filter austauschen muss, da in der Regel diese Filter nicht vor Ort chemisch inaktiviert werden können.
• Wenn das Aerosol 70 bis 90% relative Luftfeuchte enthält, ist bei 254 nm UV-Anwendung unter erschwerten Bedingungen auszugehen. Der Unterschied zwischen UV-Anwendung und IR-Anwendung ist die thermische Komponente. Mikroorganismen werden deaktiviert, indem ihre Nukleinsäuren durch die UV-Strahlung geschädigt werden.
• Die energiereiche, kurzwellige UV-Strahlung, hauptsächlich bei einer Wellenlänge von 254 nm, wird hierbei von der zellulären RNS und DNS absorbiert. Durch diese Absorption der UV-Energie entstehen zwischen benachbarten Nukleotiden neue Bindungen, wodurch wiederum Doppelbindungen oder Dimere erzeugt werden.
• Die Dimerisierung von benachbarten Molekülen, insbesondere Thymin, ist die am häufigsten auftretende photochemische Schädigung. Durch die Bildung zahlreicher Thymin-Dimere in der DNS von Bakterien und Viren wird deren Replikations- und Infektionsfähigkeit verhindert. Bei nicht ausreichender Strahlungsmenge im UV wurde eine vereinzelte Reparatur bei Mikroorganismen beobachtet.
• Eine weitere Möglichkeit zur Inaktivierung bietet die Luftwäsche, die auch für grosse Volumina von Luft von einigen hundert oder tausend m³ möglich ist. Hier werden elektrolytisch reaktive Sauerstoffradikale (ROS) wie Hydroxylradikale oder Sauerstoff-Anion-Radikal erzeugt, die das Gas bzw. die Luft wäscht und so in wässriger Lösung in Reaktion treten.
• Es ist bis heute weinig bekannt, da bisher wenig publiziert über physikalischechemische und biochemische Mechanismen welches zur Inaktivierung von Viren im Aerosol führt durch IR-Strahlung. Man nimmt aber an, dass eine Zerstörung der Proteine eintritt, die als Denaturierung, Mutation und Brechen von Bindungen auftreten können. Bei sehr hohen Temperaturen ist eine Zerstörung des capsid proteins und Hüllproteins (coat protein) irreversible Diese Zerstörung gilt für behüllte Viren genauso für nichtumhüllte Viren. Generell wird bei sehr hohen Temperaturen z.B. oberhalb von 2000°C und höher eine Art Pyrolyse-Vorstufe erreicht, so dass organisches Material zersetzt wird.
• Die Kritik am Stand der Technik geht dahin, dass durch ohmic heating eines Keramik Widerstands oder durch einen Heitz-Stab erfolgte und die Luft erwärmt wird. Luft zu erwärmen ist aber nicht Ziel dieses Verfahrens, sondern Materie-Partikel. Da im vorgesehenen Einsatzbereich der Fleisch- und Geflügel-Industrie Ausgangstemperaturen von etwa 4-7°C vorherrschen bei hoher Luftfeuchte. Fleisch wird bei 0°C mit 80% relative Luftfeuchte gelagert. Erwärmt sich die Luft zu stark, um mindestens 15°C, wahrscheinlich aber weitaus höher beim Durchlauf durch ein Rohr, bedeutet dass wieder eine Abkühlung bei der Rückleitung in den Zerlegungsbetrieb erfolgen muss.
• Ein hohes ΔT bedeutet höheren Energieaufwand, welches bei gezielter Anwendung und Anordnung von kurzwelligen IR-Elementen nicht auftritt. Der Vorteil des Einsatzes von Infrarot-Strahlung gegenüber reiner Erwärmung als ohmic heating ist, das im Kurz-Wellenlängenbereich bei ca. 1 µm nur in der Luft / Aerosol befindliche Partikel erhitzt werden, die zur Inaktivierung von Viren führen. Der kleinere Teil der auftretenden Strahlung erwärmt lediglich die Luft bzw. das Aerosol mässig.
• Die atmosphärische Luft enthält stets eine bestimmte Menge Wasserdampf. Gas - Dampf - Gemische zeigen gegenüber den Gasgemischen die Besonderheit, dass eine Gemischkomponente kondensieren kann. Wichtigstes Beispiel: feuchte Luft ist ein Gemisch aus
• - Trockener Luft der Masse ml_tr und
• - Wasser der Masse mw. Das Wasser kann als
• - Wasserdampf (Gas) m_WD- Wasserdampf + flüssiges Kondensat (Nebel) m_Wfl-Wasserdampf + festes Kondensat (Eisnebel) m_wf vorliegen.
• Das Gemisch wird als Zweistoffsystem behandelt. Die Tatsache, dass die Luft selbst schon ein Gemisch darstellt, wird nicht berücksichtigt. Das ist zulässig, weil sich die Zusammensetzung der trockenen Luft bei den zu behandelnden Prozessen nicht ändert. Dieses wird aber ungültig, wenn man in den Bereich der elektromagnetischen Strahlung geht bzw. Anregungen durch Strahlung vornimmt.
• Wird Wasser über den Siedepunkt hinaus erhitzt, verdampft das Wasser in einen gasförmigen Zustand zu Wasserdampf. Das Mollier - h,x-Diagramm gibt Aufschluss über die Verhältnisse. Die Eigenschaften dieses Wasserdampfes bezüglich Wärmeinhalt, Volumen, Dichte usw. unterscheiden sich jedoch in Abhängigkeit von Temperatur und Druck deutlich. Wird Wasserdampf weiter erhitzt entsteht überhitzter Wasserdampf.
• Die thermische Zersetzung von Wasser erfordert Temperaturen oberhalb von 2500 °C im Gegensatz zur Wasserelektrolyse, wo die Aufspaltung mit Hilfe von elektrischem Strom erfolgt. Ein Halogen/ NIR-Element erreicht 2600°C. Will man also Wasser aus dem Aerosol bzw. der Luft entfernen, kann dieses eine Möglichkeit sein. Nachgeschaltet kann dieses aber klassisch in einer Klimaanlage auch erfolgen.
• Eine Klimaanlage ist eine Anlage zur Konditionierung der Luft zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer benötigten Raumluft-Qualität, wobei Temperatur, Feuchtigkeit und Reinheit sowie CO₂-Anteil eingestellt werden können. Die alte Einteilung der DIN SPEC 13779, die zurückgezogen wurde, erfolgte nach dem thermodynamischen Einfluss, den die Anlage auf die Zuluft nimmt, wobei Lüftung, Heizung, Kühlung, Befeuchtung und Entfeuchtung geschieht als THM-C5-Bezeichnung.
• Klimaanlagen sind potenzielle Emissionsquellen für Bioaerosole. Dass in ihnen vorherrschende Milieu fördert das Wachstum von Mikroorganismen, wie Legionella pneumophila und Actinomyceten. Die Voraussetzungen für Wachstumsnischen dieser Bakterien finden sich allerdings nur in schlecht gewarteten Kühleinheiten, deren Bakterienfreiheit im Rahmen von Routinewartungen üblicherweise durch Chlorung gewährleistet wird.
• Dieses ist für ein Aerosol welches in Schlachtbetrieben auftritt bei niederen Temperaturen und höherer relativer Luftfeuchte von 70-80% von Vorteil, da eine Reduktion auf einen Wert von 50% optimal für Covid-19 in der Literatur beschrieben wurde, nachfolgend eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, die Möglichkeit durch Gestaltung des Reaktors, eine relative Luftfeuchte um 50% einstellen zu können.
• Um aber biologische Partikel, die hier so zu sagen als feste Materie betrachtet werden können, muss eine kurze Wellenlänge gewählt werden, da diese Wellenlänge in «festes» Material eindringen kann und in diesem Fall eine gleichbleibende Erhitzung sicher stellt. Da kalte Luft mit 4 bis 7°C in den IR-Reaktor eingeleitet wird, kommt es zu einem Wärmegradienten. Wird ein IR-Reaktor gewählt, der zuerst bei 600°C arbeitet, also auch im Standardwellenlängenbereich, wird Luft und das darin enthaltene Wasser entfernt, da Wasser bei 3 µm ein Absorptions-Maximum hat. Offene IR-Trocknungsanlagen arbeiten so.
• Das hier vorgeschlagene System arbeitet mit einem IR-Quarz-Rohr-Element - als short wave IR-Element bei beispielsweise 2200°C. Eingesetzt und optimiert ist es die Lösung für im Gasstrom enthaltene Partikel. Diese Art von IR-Strahlungsquellen emittieren verlustfrei die IR-Strahlung. Der vorgeschlagene IR-Reaktor besteht also aus einer Stufe mit short-wave IR-Elementen. Dieses kann apparativ in einem Reaktor erfolgen.
• Es gibt hier unterschiedliche Emitter bzw. Typen von IR-Strahlungsquellen: (Quelle Heraeus)
• Verhältnis bzw. Anteil erzeugter Energie in Form von Wärme / Temperatur

  °C	< 2µm	2 - 4 µm	< 4 µm	Bezeichnung
  600	2,2%	37,2%	60,6%	Keramik/ metal sheated
  900	13,0%	46,4%	40,6%	Standard Medium Wave
  1200	26,1%	46,9%	27,0%	Carbon
  1600	43,2%	40,1%	16,7%	Fast Response MW
  2200	62,5%	28,7%	8,8%	Short Wave
  2700	73,3%	21,0%	5,7%	Halogen / NIR
  3000	77,9%	17,6%	4,5%	High Powered Halogen / NIR

• Man kann also genau für den Bedarf die entsprechende IR-Strahlungsquelle wählen, welches beim ‚ohmic heating‘ wie in dem Literaturbeispiel beschrieben nicht der Fall ist, da elektrische Leistung nur in Hitze gewandelt wird. Das ist nachteilig, da IR-Quarz-Strahlungsquellen präzise und verlustfrei die Strahlung übertragen, deshalb die Anordnung bzw. Auswahl der in der Literatur unter [005] widergegebenen Materialien uneffektiver.
• Ausserdem ist weiter nachteilig, dass im Literaturbeispiel ein Glaskörper gewählt wurde, an dessen Oberfläche es zu Anreicherungen von infektiösen biologischen Partikeln mit Verschleppung kommen kann, da Glas selbst keine Viren inaktiviert. Weiter ist der Temperaturbereich bis 300°C bei höherem Luftdurchsatz nur knapp ausreichend und effektiv, um kurze Inaktivierungs-Zeiten wirklich zu garantieren. Hier wurde aber die gesamte Luft erwärmt und nicht selektiv darin enthaltene Materie bzw. Partikel.
• Die Zeit der Exposition, mit Viren in der Aerosolphase ist im Vergleich dazu über einen relativ kurzen Zeitraum der Hitze ausgesetzt, wobei eine Wärmestrahlung das gesamte Aerosol erfasst. Dieses führt nachteilig zur gesamten Lufterwärmung, nicht aber primär nur der im Aerosol enthaltenen biologischen Partikel allein bzw. primär.
• Die Quantifizierung der thermischen Inaktivierung von Luft-Virionen ist besonders wichtig für Situationen, in denen die Expositionszeit nur - 0,1 s - 1 s für das Aerosol beträgt, wobei hier die Temperatur der im IR-Element erhitzten Wendel 1600 ° C bis 2600 ° C betragen kann. Bei einem short-wave IR-Element mit 2000°C beträgt die Quarz-Aussentemperatur gut 500°C.
• Daher hat die neue, vorgeschlagene Vorrichtung die Aufgabe, Aerosole die virenhaltig sind in einem kontinuierlichen Verfahren, durch zielgerichtete Änderung der Strahlung und Optimierung des Reaktors, Viren zu inaktivieren und deren Infektiosität zu beseitigen und die relative Luftfeuchte zu reduzieren und auf einen Level einzustellen.
• Die Lösung der Aufgabe wird durch mehrere Massnahmen erreicht. Die ohmic heating -Elemente werden durch ausgesuchte IR-Elemente substituiert und arbeiten in einem Temperaturbereich von z.B. ca. 600°C bis 2600°C und strahlen somit hauptsächlich infrarote Strahlung, wie in der Tabelle angegeben, ab. Der Strömungskörper zur Durchleitung der Aerosole wird aus poliertem Metall oder z.B. mit einer Innen-Silber-Beschichtung ausgeführt - bzw. innen polierten Kupfer-Röhren oder Kupfer-Legierungen gewählt oder aus Glas mit innen beschichteter Oberfläche aus Kupfer oder Silber, die nachweislich viruzid und bakterizid wirken. Diese Verspiegelung reflektiert Strahlung und bündelt sie im Strömungsreaktor und reduziert damit den Energieverlust.
• Elektromagnetische Wellen wirken erst beim Auftreffen auf die Oberfläche eines Körpers. In Abhängigkeit der Farbe und Beschaffenheit der Oberfläche wird die Strahlung unterschiedlich stark reflektiert, absorbiert oder durchgelassen. Der Wirkungsgrad von Infrarotstrahlern ist besonders gut, da die Strahlung nur in sehr geringem Maße von der Luft absorbiert wird, der größte Teil wird durchgelassen. Darum wird ein IR-Quarzheizstab als Strahlungsquelle eingesetzt.
• Diese Beschichtung als Verspiegelung, vorzugsweise aus Kupfer- oder Silber wird innen auf Glaskörper oder Metallköper aufgebracht. Kunststoffe sind hier weniger geeignet, sind aber nicht generell ausgeschlossen. Eine bevorzugte Ausführungsform sind beispielsweise Röhren oder rechteckige Körper, in denen IR-Strahler integriert werden.
• Die nächste Forderung an die Heizspirale ist nun, dass die Strahlung in einem Temperaturbereich erzeugt wird, der bei einer Temperatur von 600 °C bis 2600 °C am Heizelement liegt. In diesem Bereich glüht die Spirale orangerot. Reduziert man die Strahlungstemperatur, wird die Strahlung zu „dunkel“, die Intensität geht zurück. Geht man wesentlich über diesen Bereich hinaus, ist der Anteil an Lichtenergie höher, die reine Infrarot-Strahlung nimmt ab. Auch das ist für diesen Anwendungszweck nicht erwünscht.
• Kurzwellige Quarzstrahler sind die Infrarotstrahler mit der höchsten Strahlungsintensität bis zu 20 W/cm². Sie bestehen aus einem gewendelten Wolframdraht in einem mit Edelgas gefüllten und hermetisch verschlossenen Quarzglas. Abhängig vom gewünschten Emissionsspektrum werden unterschiedlich gewendelte Heizleiter verwendet. Standardmäßig werden R7s-Anschlüsse eingesetzt, oder verschiedene andere Befestigungen und Anschlüsse. Die Aufheiz- und Abkühlzeiten betragen wenige Sekunden.
• Die Heizspirale wird aus einem speziellen Widerstandsdraht angefertigt, der bei dieser hohen Temperatur ausreichend mechanisch fest ist und gleichzeitig eine entsprechende Lebensdauer hat. Die Heizstäbe sind aus einer Chrom-Eisen-Alu-Legierung hergestellt, wobei den einzelnen Bestandteilen dieser Legierung eine besondere Bedeutung zukommt.
• Der Aluminium-Anteil in der Legierung bewirkt, dass sich während des Betriebes der Spirale, also im glühenden Zustand, eine Oxidschicht bildet, welche die Spirale vor den in der Luft enthaltenen aggressiven Bestandteilen schützt. Dadurch wird die hohe Lebensdauer der Spirale erreicht.
• Der Chromanteil im Widerstandsmaterial der Heizwendel hat korrosionsverhindernde Eigenschaften. Die Spirale ist dadurch rostfrei, ein weiterer großer Vorteil, besonders in Feuchträumen. An die beiden Heizwendelenden ist eine, ebenfalls aus Edelstahl bestehende, Anschlusszunge angeschweißt, an welche die elektrische Anschlusslitze mittels der bewährten Steckhülse angeschlossen wird.
• Weiter besteht der Vorteil bei Einsatz von IR-Strahlung, dass die durchgeführte Luft bzw. das Aerosol sich nicht stark erwärmt, sondern primär in der Luft / Aerosol befindliche Partikel die Strahlung absorbieren. Die Luft kühlt somit die IR-Elemente, welches zu einer langen Lebensdauer führt. Es ist weiter davon auszugehen, dass der hohe selektierte Temperaturbereich von 1600 bis 2600 °C an der Quarzoberfläche des IR-Elementes eine Inaktivierung in situ bei sehr kurzen Zeiten von 0,1 bis 1 Sekunde garantiert. Ein Wasseranteil im Aerosol ist für die Quarzoberfläche unschädlich.
• Als Strahlungsintensität bezeichnet man die Strahlungsleistung bezogen auf eine Fläche. Daraus ergibt sich die Gleichung:
• I = P/A in W/m²; A Fläche [m²]; P Strahlungsleistung [W]; I Strahlungsintensität [W/m ²]. Die Lebenszykluszeit beträgt je nach Art des IR-Elements von 10e5 bis zu 10e10 Stunden, bei Luftdurchsatz als Kühlung.
• Die konstruktive Gestaltung des Reflektors bietet die Möglichkeit, sich dem gewünschten Einsatzzweck anzupassen. Einmal soll relativ konzentriert Wärme über größere Entfernungen übertragen werden. In einem anderen Fall soll die Strahlung schon in geringerer Entfernung vom Strahler einen breiten Bereich erfassen.
• Die Auswahl der Apparate um z.B. Aerosol / Luft in einem fleischverarbeitendem Betrieb einzusetzen, wird nach der vorhandenen Klimaanlage dimensioniert. Hier können verschieden Ausführungsformen zur Anwendung kommen. Eine einfache Ausführung ist ein innen poliertes Edelstahlrohr, ein Kupferrohr oder auch eine silber-verspiegeltes Glasrohr sein, wo mittig ein IR-Element installiert wird.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist eine rechteckige Anordnung, ähnlich wie eine Schublade, die oben und unten mit langen IR-Elementen ausgestattet wird. Auch eine einseitige Anordnung z.B. nur unten mit IR-Elementen und der Seiten ist möglich, wenn oberhalb ein Reflektor z.B. aus Goldfolie angebracht wurde oder eine polierter bzw. verspiegelte Oberfläche vorhanden ist.
• Es sind so viele verschiedene Ausführungsformen denkbar, dass hier nur zwei Beispiele als eine Präferenz genannt wird. Wichtig ist die Länge des Reaktors mit 1-2 m, der die IR-Elemente beherbergt. Es wird deshalb einer etwas längerer Weg vorgeschlagen, um die Kontaktzeit zu erhöhen, wobei hier ein Kompromiss zwischen Temperatur- Erhöhung und Kontaktzeit zu sehen ist. Es wird hier für die Dimensionierung eine Berechnung der Luftströmung vorher durchgeführt
• Da keine Umgangsgenehmigung mit Viren vorlag wurde extern ein Versuch mit Einbringung von E. coli in das Aerosol durchgeführt und Temperaturmessungen vor dem Reaktor und nach Durchlauf durchgeführt.
• Beispiel
• Der Versuchsaufbau geschah in Analogie des Literaturbeispiels in [005]. Es wurde hier nur E. coli eingesetzt da Covid-19 zu infektiös und gefährlich ist. Es wurde ein 227 mm langes IR-Element der Firma Bacher - Quarz-Wolfram-Strahler; Typ: QTM 10 x 227 - 750 W; Artikel-Nummer: 3054 280 752 mit einem Durchmesser von ca. 1,0 cm mittig in ein innen poliertes Edelstahlroh installiert, mit einer Standard-Aufhängung laut Zubehörliste - am Anfang der Röhre und am Ende. Das Edelstahlrohr hat einen Durchmesser von ca. 5 cm und wurde als 26 cm langes Rohr gekauft und eingesetzt.
• Das Edelstahlrohr wurde mit Hilfe von 2 Stativen und Laborklammern mit Muffen horizontal mit einer Wasserwaage ausgerichtet und ein Temperaturfühler aussen am Rohr befestigt. Es wurde zuerst ohne Vernebelung der Luftstrom gemessen und die Temperaturerhöhung gemessen. Der IR-Quarzheizstab wurde an die Stromversorgung angeschlossen (220 V/ 50-60 Hz / Netzteil) und 5 Minuten erhitzt, damit ein Gleichgewicht eintritt.
• 10e8 cfu / ml of E.coli - Bezugsquelle: DSMZ; Bacteria DSM 500 ; Type Strain no, Strain Designation IMG 1709 - other Collection No. ATCC 23227, B/r in - verdünntem Peptonwasser 1:10 mit destilliertem, deionisiertem Wasser angesetzt, wurden über einen käuflichen Labor-Vernebler mit Druckluftanschluss an eine Druckflasche in einen Luftstrom über ein T-Stück injiziert.
• Das Edelstahlrohr (DIN - EN 10312 / 4VA - Firma Hörr, Artikel-Nr. 880 0066) mit einer Länge von 26 cm wurde mit einem Fitting versehen und am Eingang des Rohres und am Ende. Die Luftströmungsmessung wurde mit einem Anemometer (Bluetooth der Firma PCE-Deutschland GmbH, Meschede) - Model PCE-BDA 10, Ausführung als Flügelrad-System mit einer Messung von 1 bis 25 m/s ausgeführt. Das System läuft mit IOS und Android-Smartphone Betriebssystem.
• Die Verneblungsapparatur ist ein Standard der mikrobiologischen Arbeitsweise. Am Ende des Rohres wird eine Waschflasche als Labor-Standard von 1 Liter, mit 500 ml steriler Nährlösung Tryptic Soy Broth (Oxoid CM1; Art.-No. CM001B) zur Einleitung der Luft nach thermischer Behandlung eingesetzt.
• Nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts wird der Durchfluss konstant bei 38 Liter / Minute eingestellt. Mit Einbringung von E. coli im verdünnten PeptonWasser in den Vernebler wird der Luftstrom durch die Waschflasche geleitet. Nach 5 Minuten wird die Vernebelung beendet. Nach Anreicherung bei 30°C über Nacht, insgesamt 24 Stunden - im Flow-Cytometer gemessen - konnte kein Wachstum nachgewiesen werden.
• Beispielzeichnungen - Ausführungsformen
• Generell können die IR-Elemente längs axial oder auch quer angeordnet werden - es kommt auf die Leistung W / cm² bzw. kW/m² - power density an. Die Dimensionierung geschieht aufgrund der Applikation - also Luftdurchsatz als Temperaturgradient.
• Folgende Ausführungsformen gelten als bevorzugte, beispielhafte Reaktor-Ausführung, wobei die Oberflächen innen verspiegelt oder poliert sind.
• Bezugszeichenliste - Versuchsaufbau Collison Nebulizer - für

1

Luftdruckflasche

2

Reduzierventil - grob Flasche

3

Fein-Reduzierventil mit Druckanzeige

4

Collison Vernebler mit T-Stück

5

End-Druck-Messung

6

Lüftungsschraube

7

Flüssigkeitslevel im Vernebler

8

Edelstahlrohr mit integriertem IR-Element

9

Gaswaschflasche

10

Nährlösung

• Bezugszeichenliste -

1

Querschnitt - Rundreaktor Mantel

2

Doppel-IR-Elemente - innen axial in Längsrichtung

3

Zylinder längs einseitig geöffnet - Mantel

4

IR-Elemente lang - längs angeordnet

5

Messrohr zur Ableitung eines Teil-Luftstroms in eine Nährlösung

• Bezugszeichenliste -

1

Quader als rechteckige Form des Reaktor mit hinten und vorne offener Seite

2

längs axial angeordnete IR-Elemente

3

polierte oder verspiegelte Oberfläche - als Reflektor

4

Querschnitt - vorne / hinten offen

5

IR-Elemente als Einzel- oder Doppel-Element-Ausführung

Claims (9)

1. Kontinuierliches Verfahren mit Vorrichtung zur Inaktivierung von Corona-Viren und andere biologisch, infektiöse Partikel im Aerosol bzw. Luftstrom durch thermische Behandlung mit Kurzwellen-Infrarotstrahlung, in einem Bereich von etwa 0,8 bis 1,4 µm dadurch gekennzeichnet, das Inaktivierungszeiten von 0,1 bis 1 Sekunde erreicht werden, wobei virenhaltiges Aerosol im Luftstrom durch eine Reaktor-Konstruktion aus viruzidem und bakterizidem Material geleitet wird, wobei punktuell biologische Partikel im Aerosol erhitzt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktzeit im Reaktor durch die Länge des Reaktors gegeben ist, die einem entsprechenden Luftdurchsatz in Liter pro Minute bzw. m³ pro Minute bei gewähltem Durchmesser bzw. Öffnung entspricht, wobei die Temperaturdifferenz der Luft vor dem Eingang und nach Verlassen des Reaktors möglichst gering ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass Wärmesensoren am Eingang, im Reaktor mittig und am Ausgang des Reaktors installiert werden, um die Temperaturdifferenz bzw. den Wärmegradienten zu erfassen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aerosol-/Luftdurchsatz am offenen Ende des Reaktors ein Sammelrohr als Abzweig installiert wird, wo ein Teilluftstrom für analytische Zwecke entnommen wird, um die Inaktivierung zu kontrollieren, mittels einem By-pass mit Absperrhahn - Aerosol / Luft in eine Waschflasche mit Nährlösung eingeleitet wird, um eine Kontrolle von Wachstum von jeglicher Form von Luftkeimen zu erhalten.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,2,3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass jede geometrische Form von Körpern, so z.B. Quader oder Röhren zur Durchleitung von Aerosol / Luft als Reaktor, mit auch unterschiedlichen IR-Elementen, die unterschiedlich angeordnet sein können, einsetzbar sind.
6. Vorrichtung nach einer der Ansprüche von 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchfluss-Sensor für die Luftströmung installiert wird, der bei Unterbruch der Strömung automatisch die Stromzufuhr der IR-Elemente abschaltet, um ein Überhitzen zu vermeiden und den Lüfter nachlaufen lässt, sowie ein grossflächiges Gitter aus Kühlblechen am Ausgang des Reaktors durch Peltier-Elemente zur Kühlung bei Bedarf bereitgestellt wird.
7. Verfahren nach einer der Ansprüche von 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die inaktivierten biologischen, infektiösen Partikel irreversibel geschädigt, zerstört werden und somit ihre Infektiosität verlieren.
8. Verfahren nach einer der Ansprüche von 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verfahren generell zur Entkeimung der Luft eingesetzt werden kann um jede Art von Keimen zu inaktivieren.
9. Vorrichtung nach einer der Ansprüche von 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine Quaderform als Sandwich-Bauweise oben, unten und seitlich IR-Elemente installiert wurden, um eine möglichst homogene Zone der Energieverteilung im Reaktor, zu ermöglichen und aus massivem Wandmaterial besteht, dessen Oberflächen innen poliert oder verspiegelt sind und das Material selbst als Biozid und viruzid wirkt.

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