DE102020213665A1 - Flächenelement und Vorrichtung zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff - Google Patents

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Ralf Wyrwa
Rocco Holzhey
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenelements (2), wobei aus einem Polymer ein Vlies, in dem ein Photosensibilisator inkorporiert wird, mittels Elektrospinnen auf einem Träger abgeschieden wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Flächenelement (2), umfassend einen Träger und ein darauf abgeschiedenes Vlies aus einem Polymer, wobei in dem Vlies ein Photosensitizer inkorporiert oder das Vlies mit einem Photosensibilisator ausgerüstet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff, umfassend ein oder mehrere Flächenelemente (2), wobei mindestens eine Lichtquelle (4) zur Emission von Licht mit mindestens einer Wellenlänge zur Bestrahlung des Vlieses angeordnet ist, wobei die mindestens eine Wellenlänge so gewählt ist, das der Photosensibilisator photokatalytisch angeregt wird, wobei vorzugsweise ein Lüfter (5) zur Erzeugung eines Luftstroms (L) vorgesehen ist, der so geführt ist, dass zumindest das Vlies auf dem einen oder mehreren Flächenelement/-en (2) davon überstrichen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenelements gemäß Anspruch 1, ein Flächenelement gemäß Anspruch 4, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff gemäß Anspruch 10 und deren Verwendung gemäß Anspruch 12.
  • Es gibt eine Reihe an Möglichkeiten, Krankheitserreger aus der Luft zu entfernen und/oder unschädlich zu machen. Eine technische Möglichkeit ist der Einsatz von Sterilfiltern zur Luftentkeimung. Diese Filter eignen sich insbesondere zur Entfernung von Bakterien, Pilzen und deren Sporen. Filteranlagen gegen Viren sind wesentlich aufwendiger. Hierfür eignen sich elektrostatische Filter. Eine weitere Möglichkeit zur Sterilisation ist die Bestrahlung der Luft mit hochenergetischer Strahlung wie Gamma- oder UVC-Strahlen. Bei GammaStrahlung besteht das Problem der Erzeugung und Abschirmung vor der gesundheitsgefährdenden Strahlung. Die UVC-Bestrahlung von Luft kann zu einem beträchtlichen Anteil von Ozon führen, welches nachweislich ebenfalls über längere Exposition zu Gesundheitsschäden führt. Inzwischen wird auch Singulett-Sauerstoff zur Desinfektion von Luft genutzt. Die Patentschriften DE 100 48 153 A1 , DE 10 2013 220 210 A1 betreffen Vorrichtungen zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff, wobei die Oberfläche eines Materials mit einem Polymer oder einem Polymergemisch beschichtet ist, welches einen photochemischen Katalysator (Photosensibilisator) zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff enthält. Diese Oberfläche wird durch eine geeignet angeordnete Lichtquelle zur Aktivierung des auf der Oberfläche befindlichen photochemischen Katalysators bestrahlt. Als weitere Entwicklung ist bekannt, Textilien mit einem Photosensibilisator zu behandeln. Bei geeigneter Bestrahlung und Durchleitung von Luft wird die Luftdesinfektion erreicht. Um eine ausreichend große Kapazität zur Desinfektion der Luft zu erreichen, sind große Filteranlagen (Sterilfilter) notwendig. Die Bildung von Ozon während der Sterilisation ist aus gesundheitlichen Gründen ungeeignet. Die bisherigen Verfahren zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff basieren auf großen Kunststoff- oder Textilflächen, was die Verwendung in kleineren Räumen ausschließt. Insbesondere für kleine Räume wird daher eine Lösung zur Reduktion einer Virenexposition oder mikrobiellen Belastung durch die Raumluft benötigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Lösung zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenelements gemäß Anspruch 1, durch ein Flächenelement gemäß Anspruch 4, durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff gemäß Anspruch 10 und durch deren Verwendung gemäß Anspruch 12.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Flächenelements wird aus einem Polymer ein Vlies, in dem ein Photosensibilisator inkorporiert wird, mittels Elektrospinnen auf einem Träger abgeschieden.
  • In einer Ausführungsform wird der Photosensibilisator als ein löslicher oder partikulärer Stoff, insbesondere in Form von Nanopartikeln und/oder Mikropartikeln, zugegeben.
  • In einer Ausführungsform wird der Photosensibilisator dem flüssigen Polymer, insbesondere einer Polymerlösung oder einer Polymerschmelze, vor dem Elektrospinnen zugegeben oder auf dem bereits gebildeten Vlies abgeschieden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Flächenelement bereitgestellt, umfassend einen Träger und ein darauf abgeschiedenes Vlies aus einem Polymer, wobei in dem Vlies ein Photosensibilisator inkorporiert oder das Vlies mit einem Photosensibilisator ausgerüstet ist, wobei das Flächenelement insbesondere mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt sein kann.
  • In einer Ausführungsform besteht der Träger aus einem Metall oder umfasst ein Metall und/oder der Träger besteht aus einem Textil, das Keramik und/oder Glas und/oder Basalt und/oder mindestens einen Kunststoff und/oder mindestens ein Metalloxid umfasst.
  • In einer Ausführungsform ist das Metall Kupfer oder Edelstahl.
  • In einer Ausführungsform ist das Polymer Polyamid, Polyester, ein Perfluorpolymer, ein Biopolymer und oder ein Derivat eines der genannten.
  • In einer Ausführungsform ist der Träger als kompakte Fläche, als Gaze oder als ein poröser und/oder strukturierter Träger ausgebildet.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Photosensibilisator mindestens einen der Stoffe Toluidinblau, Methylenblau, Phthalocyanine, Porphorine (z. B. 5,10,15,20-Tetrakis(phydroxyphenyl)porphyrin oder 5,10,15,20-Tetrakis(p-aminophenyl)porphyrin, Chlorophyll), Safranin, Rose Bengal, Flavinderivate und Erythrosin sowie Metallkomplexe wie polyazaheterocyclischen Rutheniumverbindungen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff bereitgestellt, umfassend ein oder mehrere der oben beschriebenen Flächenelemente, die beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet sein können, wobei mindestens eine Lichtquelle zur Emission von Licht mit mindestens einer Wellenlänge zur Bestrahlung des Vlieses angeordnet ist, wobei die mindestens eine Wellenlänge so gewählt ist, das der Photosensibilisator photokatalytisch angeregt wird, wobei vorzugsweise ein Lüfter zur Erzeugung eines Luftstroms vorgesehen ist, der so geführt ist, dass zumindest das Vlies auf dem einen oder mehreren Flächenelementen davon überstrichen wird.
  • In einer Ausführungsform sind mehrere der Flächenelemente etagenartig übereinander und voneinander beabstandet angeordnet.
  • In einer Ausführungsform sind die Flächenelemente so angeordnet, dass sie vom Luftstrom nacheinander mäanderartig überstrichen werden.
  • In einer Ausführungsform ist in jeder Ebene, in der ein Flächenelement angeordnet ist, ein freier Bereich vorgesehen, durch den der Luftstrom in eine jeweils nächste Ebene gelangt.
  • In einer Ausführungsform ist an einem Lufteintritt der Vorrichtung ein Vorfilter vorgesehen.
  • In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Lichtquelle als jeweils eine LED ausgebildet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben beschriebene Vorrichtung zur Desinfektion von Luft bezüglich Bakterien und/oder Viren und/oder Pilzen in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, in einer Klinik oder therapeutischen Praxis, in einem Labor oder einer medizintechnischen Werkstatt, in der Biotechnologieindustrie, in der pharmazeutischen Industrie, in einem Büro, einer Schule, eines Kindergartens, einem öffentlichen Gebäude oder in einem Wohnbereich verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Photosensibilisator-haltige Materialien mit großer Oberfläche auf einem Träger aufzubringen. Unter Bestrahlung mit Licht, beispielsweise LED-Licht, mit einer Wellenlänge, für die der eingesetzte Photosensibilisator empfindlich ist, erfolgt die effiziente Erzeugung von Singul ett- Sauerstoff.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Photosensibilisatoren insbesondere als Nanomaterialien mit enorm großer Oberfläche auf einem festen Träger bereitgestellt, wodurch die benötigte Fläche zur Erzeugung hoher Konzentrationen an Singulett-Sauerstoff drastisch reduziert wird. Zudem wird die Quantenausbeute des eingestrahlten Lichts an der stark vergrößerten Oberfläche erhöht, wodurch das System zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff sehr energieeffizient gestaltet werden kann. Das Trägermaterial, auf dem das Nanomaterial zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff aufgetragen ist, kann ebenfalls antimikrobielle und antivirale Eigenschaften aufweisen, wodurch die Entkeimung zusätzlich verbessert wird. Auch dient es der Reflexion des eingestrahlten Lichts, welches das Nanomaterial ohne photokatalytische Reaktion durchdrungen hat, so dass das reflektierte Licht in das Nanomaterial zurück reflektiert wird und damit ebenfalls der Erzeugung von Singulett-Sauerstoff dient.
  • Somit wird es möglich, kompakte energiesparende Anlagen zur Desinfektion, insbesondere von Luft oder auch von Wasser, aufzubauen.
  • Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von Singulett-Sauerstoff über Photosensibilisator-haltige elektrogesponnene Membranen unter Bestrahlung mit Licht sowie deren Abscheidung auf einem Trägermaterial. Die neuartige Materialkombination kann zur Desinfektion der Luft gegen Bakterien, Pilze und Viren Anwendung finden und als desinfizierendes Raumluftfilter in vielen technischen und Lebensbereichen eingesetzt werden, zum Beispiel in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, in Kliniken, der Medizin, Biologie, Medizintechnik, Biotechnologie, aber auch in der pharmazeutischen Industrie sowie in Büros, Schulen, Kindergärten, in öffentlichen Gebäuden und Wohnbereichen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Darin zeigen:
    • 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff, und
    • 2 eine weitere schematische Schnittansicht der Vorrichtung zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff.
  • Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 und 2 sind schematische Schnittansichten einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff. Die Vorrichtung 1 umfasst mehrere voneinander beabstandetete Flächenelemente 2, umfassend ein aus einem Polymer, beispielsweise Polyamid, Polyester oder einem Perfluorpolymer, elektrogesponnenes ungewobenes Vlies, in dem ein Photosensibilisator inkorporiert ist. Um die nötige mechanische Stabilität des Materials zu erreichen, wird das elektrogesponnene Vlies mit photokatalytischen Eigenschaften zur Singulett-Sauerstofferzeugung während des Elektrospinn-Prozesses auf einem Träger aus Metall, beispielsweise Kupfer oder Edelstahl, abgeschieden. Bei der Verwendung einer Metallgaze als Träger wird die Oberfläche weiter erhöht. Als Trägermaterialien eignen sich neben Gazen auch kompakte Flächen oder poröse/strukturierte Träger sowie Textilien aus Keramik, Glas, Basalt, Kunststoffen und Metalloxiden.
  • Die Flächenelemente 2 sind, beispielsweise in einem Gehäuse 3, etagenartig übereinander und voneinander beabstandet angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Flächenelemente 2 vorgesehen. In anderen nicht dargestellten Ausführungsformen kann eine andere Anzahl von Flächenelementen 2 vorgesehen sein, beispielsweise ein Flächenelement 2 oder zwei, vier oder mehr Flächenelemente 2.
  • In Zwischenräumen zwischen den Flächenelementen 2 sind Lichtquellen 4, beispielsweise LEDs angeordnet, die vorzugsweise zur Emission von Licht mit einer Wellenlänge konfiguriert sind, die sich zur photokatalytischen Anregung des jeweils verwendeten Photosensibilisators eignet. Beispielsweise werden Lichtquellen 4 verwendet, die längerwelliges Licht, beispielsweise im Bereich von 280 nm oder mehr bis in den Infrarotbereich, emittieren. Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung von Ozon wie bei der UVC-Bestrahlung vermieden wird.
  • Für das Elektrospinnen eignen sich alle löslichen oder schmelzbaren Polymere, in die der Photosensibilisator als Partikel oder gelöst eingebracht werden kann. Die Polymere können synthetische Materialien oder Biopolymere oder Derivate davon sein.
  • Als Photosensibilisator eignen sich beispielweise lösliche oder partikuläre Stoffe, insbesondere Nanopartikel und/oder Mikropartikel, wie Toluidinblau, Methylenblau, Phthalocyanine, Porphorine (z. B. 5,10,15,20-Tetrakis(phydroxyphenyl)porphyrin oder 5,10,15,20-Tetrakis(p-aminophenyl)porphyrin, Chlorophyll), Safranin, Rose Bengal, Flavinderivate und Erythrosin sowie Metallkomplexe wie polyazaheterocyclischen Rutheniumverbindungen oder andere.
  • Als Trägermaterial eignet sich beispielsweise eine Metallgaze, insbesondere aus Kupfer oder kupfer-, silber- oder zinkhaltigem Material, welches antimikrobielle und antivirale Eigenschaften aufweist. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Trägermaterial ein reflektierendes Material ist.
  • Die Vorrichtung 1 kann ferner so ausgebildet sein, dass die Flächenelemente 2 von einem Luftstrom L überstrichen werden. Hierzu wird der Luftstrom L an den Flächenelementen 2 vorbeigeführt, wobei bei der Verwendung elektrobesponnener Gaze ein Teil der Luft auch durch den Träger geführt wird.
  • Die Luft kann sowohl an einer Fläche des Flächenelements 2, auf der elektrogesponnenes ungewobenes Vlies mit dem Photosensibilisator abgeschieden ist, als auch an einer unbehandelten Fläche (beispielsweise Kupfergaze) vorbeigeführt werden. Zur Erzeugung des Luftstroms L kann ein Lüfter 5 vorgesehen sein, der so angeordnet sein kann, dass er den Luftstrom L durch die Vorrichtung 1 saugt wie in 1 und 2 gezeigt, oder dass er den Luftstrom L durch die Vorrichtung 1 drückt (nicht dargestellt). Die Flächenelemente 2 können so angeordnet sein, dass sie vom Luftstrom L nacheinander mäanderartig überstrichen werden, beispielsweise so, dass jedes Flächenelement 2 in der Ebene, in der es angeordnet ist, einen Bereich frei lässt, durch den der Luftstrom L in die jeweils nächste Ebene gelangen kann. Insbesondere kann der Luftstrom L das Gehäuse 3 generell von unten nach oben durchströmen.
  • An einem Lufteintritt für den Luftstrom L kann ein Vorfilter 6 vorgesehen sein, um das Verstauben der Vorrichtung 1 zu verhindern.
  • Das Flächenelement kann beispielsweise folgendermaßen hergestellt werden:
    • Variante 1:
      • Eine Polymerlösung oder Polymerschmelze wird mit einem Photosensibilisator in gelöster und/oder partikulärer Form versetzt. Die Lösung bzw. Schmelze wird dem Elektrospinn-Prozess zugeführt und die elektrogesponnenen Fasern auf dem Trägermaterial abgeschieden.
    • Variante 2:
      • Eine Polymerlösung oder Polymerschmelze wird dem Elektrospinn-Prozess zugeführt und die elektrogesponnenen Fasern auf dem Trägermaterial abgeschieden. Anschließend erfolgt die Ausrüstung des Fasermaterials mit einem Photosensibilisator durch mindestens einen Tauch- oder Sprühprozess.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Eine 10 Ma%ige Polyamidlösung wird in Hexafluoroisopropanol (HFIP) hergestellt. Zu der Lösung werden bezogen auf die eingesetzte Polymermenge 5 Ma% Toluidinblau O zugesetzt. Die Lösung wird mittels Elektrospinnen auf einer Kupfergaze abgeschieden. Beispielsweise werden 2 ml der Lösung bei 22 Kilovolt, einem Elektrodenabstand von 17 cm und einer Flussrate von 1 ml/h auf eine Fläche von 100 cm2 prozessiert. Die durch das Elektrospinnen gebildete Faser hat hier einen Depoteffekt. In feuchter Umgebung kann der Farbstoff, beispielsweise Toluidinblau O diffundieren und gegebenenfalls verbrauchten Farbstoff ersetzen.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Eine 10 Ma%ige Polyamidlösung wird in Hexafluoroisopropanol (HFIP) hergestellt. Die Lösung wird mittels Elektrospinnen auf einer Kupfergaze abgeschieden. Beispielsweise werden 2 ml der Lösung bei 22 Kilovolt, einem Elektrodenabstand von 17 cm und einer Flussrate von 1 ml/h auf eine Fläche von 100 cm2 prozessiert. Anschließend wird der Träger mit einer 0,3%igen ethanolischen Toluidinlösung besprüht und getrocknet.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Eine 10 Ma%ige Polyamidlösung wird in Hexafluoroisopropanol (HFIP) hergestellt. Die Lösung wird mittels Elektrospinnen auf einer Kupfergaze abgeschieden. Beispielsweise werden 2 ml der Lösung bei 22 Kilovolt, einem Elektrodenabstand von 17 cm und einer Flussrate von 1 ml/h auf eine Fläche von 100 cm2 prozessiert. Anschließend wird der Träger mit einer 0,3%igen ethanolischen (50 %) Eosinlösung besprüht und getrocknet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Flächenelement
    3
    Gehäuse
    4
    Lichtquelle
    5
    Lüfter
    6
    Vorfilter
    L
    Luftstrom
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10048153 A1 [0002]
    • DE 102013220210 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Flächenelements (2), wobei aus einem Polymer ein Vlies, in dem ein Photosensibilisator inkorporiert wird, mittels Elektrospinnen auf einem Träger abgeschieden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Photosensibilisator als ein löslicher oder partikulärer Stoff, insbesondere in Form von Nanopartikeln und/oder Mikropartikeln, zugegeben wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Photosensibilisator dem flüssigen Polymer, insbesondere einer Polymerlösung oder einer Polymerschmelze, vor dem Elektrospinnen zugegeben oder auf dem bereits gebildeten Vlies abgeschieden wird.
  4. Flächenelement (2), umfassend einen Träger und ein darauf abgeschiedenes Vlies aus einem Polymer, wobei in dem Vlies ein Photosensibilisator inkorporiert oder das Vlies mit einem Photosensibilisator ausgerüstet ist, hergestellt mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  5. Flächenelement (2) nach Anspruch 4, wobei der Träger aus einem Metall besteht oder ein Metall umfasst und/oder wobei der Träger aus einem Textil besteht, das Keramik und/oder Glas und/oder Basalt und/oder mindestens einen Kunststoff und/oder mindestens ein Metalloxid umfasst.
  6. Flächenelement (2) nach Anspruch 5, wobei das Metall Kupfer oder Edelstahl oder ein kupfer-, silber- oder zinkhaltiges Material ist.
  7. Flächenelement (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Polymer Polyamid, Polyester, ein Perfluorpolymer, ein Biopolymer und oder ein Derivat eines der genannten ist.
  8. Flächenelement (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Träger als kompakte Fläche, als Gaze oder als ein poröser und/oder strukturierter Träger ausgebildet ist.
  9. Flächenelement (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Photosensibilisator mindestens einen der Stoffe Toluidinblau, Methylenblau, Phthalocyanine, Porphorine (z. B. 5,10,15,20-Tetrakis(phydroxyphenyl) porphyrin oder 5,10,15,20-Tetrakis(p-aminophenyl)porphyrin Chlorophyll), Safranin, Rose Bengal, Flavinderivate und Erythrosin sowie Metallkomplexe wie polyazaheterocyclischen Rutheniumverbindungen umfasst.
  10. Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Singulett-Sauerstoff, umfassend ein oder mehrere Flächenelemente (2) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei mindestens eine Lichtquelle (4), insbesondere eine LED, zur Emission von Licht mit mindestens einer Wellenlänge zur Bestrahlung des Vlieses angeordnet ist, wobei die mindestens eine Wellenlänge so gewählt ist, das der Photosensibilisator photokatalytisch angeregt wird, wobei vorzugsweise ein Lüfter (5) zur Erzeugung eines Luftstroms (L) vorgesehen ist, der so geführt ist, dass zumindest das Vlies auf dem einen oder mehreren Flächenelement/- en (2) davon überstrichen wird.
  11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei mehrere der Flächenelemente (2) etagenartig übereinander und voneinander beabstandet angeordnet sind.
  12. Verwendung der Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 zur Desinfektion von Luft bezüglich Bakterien und/oder Viren und/oder Pilzen in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, in einer Klinik oder therapeutischen Praxis, in einem Labor oder einer medizintechnischen Werkstatt, in der Biotechnologieindustrie, in der pharmazeutischen Industrie, in einem Büro, einer Schule, einem Kindergarten, einem öffentlichen Gebäude oder in einem Wohnbereich.
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Citations (5)

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