DE102021109004A1

DE102021109004A1 - Vorrichtung und verfahren zur desinfektion von flüssigkeiten und gasen

Info

Publication number: DE102021109004A1
Application number: DE102021109004.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuntze
Original assignee: Compact Laser Solutions GmbH
Current assignee: Compact Laser Solutions GmbH
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-13
Also published as: EP4323021A1; CN117177779A; WO2022218897A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen mit den Verfahrensschritten: Erzeugen einer Strahlungsbarriere in einer Desinfektionskammer, Einschleusen eines Gas- und/oder eines Flüssigkeitsstromes in die Desinfektionskammer, Führen des Gas- und/oder Flüssigkeitsstromes durch mehrere Volumenbereiche der Desinfektionskammer und Ausschleusen des Gas- und/oder der Flüssigkeitsstromes aus der Desinfektionskammer, wobei die Volumenbereiche in der Desinfektionskammer durch die Strahlungsbarriere, eine Kammerwand und eine Strömungsleitfläche eines Strömungsleitelementes gebildet werden und die Volumenbereiche durch die Kammerwand, die Strahlungsbarriere und die Strömungsleitfläche vollständig voneinander getrennt sind, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen mit den Verfahrensschritten: Erzeugen einer Strahlungsbarriere in einer Desinfektionskammer, Einschleusen eines Gas- und/oder eines Flüssigkeitsstromes in die Desinfektionskammer, Führen des Gas- und/oder Flüssigkeitsstromes durch mehrere Volumenbereiche der Desinfektionskammer und Ausschleusen des Gas- und/oder der Flüssigkeitsstromes aus der Desinfektionskammer, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Ultraviolettes Licht ist ein bekanntes Desinfektionsmittel für Oberflächen, Flüssigkeiten und Gase. Als Lichtquelle kommen beispielsweise Gasentladungslampen wie Niederdruck-Quecksilberdampf-,Xenon-, Eximerlampen, UV-LED's und in sehr geringem Maße UV-Laser zum Einsatz. Die Desinfektion der Flüssigkeit bzw. des Gases selbst kann in speziellen Behältnissen erfolgen, die von der Flüssigkeit bzw. dem Gas durchströmt werden.
Ein derartiges Verfahren zur Desinfektion von insbesondere Flüssigkeiten (Wasser), aber auch von Gasen, sowie eine entsprechende Vorrichtung zeigt die Schrift US 4661264 . Ein gepulster Laserstahl wird in das von der Flüssigkeit durchströmte Behältnis eingestrahlt. Der Flüssigkeitsstrom schneidet während des Verfahrens mehrfach den Laserstahl. Der Laserstahl ist grundsätzlich in einer festen Position am Behältnis angeordnet.
Ein Nachteil des hier vorgestellten Behältnisses ist das Vorhandensein von Bereichen, in denen die Flüssigkeit nicht den Laserstahl schneidet, also nicht vom desinfizierenden Laserstahl beaufschlagt und damit nicht desinfiziert wird. Ein weiterer Nachteil einer anderen Konfiguration des vorgestellten Behältnisses ist der geringe Energieeintrag des Laserstahls, der auf die Flüssigkeit einwirkt. Zur gründlichen Desinfektion muss der Laserstahl also eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig hoher Durchschnittsleistung im gepulsten Betrieb aufweisen. Zur Erzeugung hoher Leistungsdichten ist es notwendig, den Laser im transversalem Grundmode mit entsprechend geringem Divergenzwinkel zu betreiben. Zudem ist die Bereitstellung des Grundmodebetriebs für die Erzeugung unterschiedlichster Strahlformungen von entscheidender Bedeutung. Durch gezielte Änderungen des transversalen Mode können Optimierungen im Desinfektionsprozess sichergestellt werden.
Folgende Möglichkeiten können als Beispiel zur Anwendung kommen:

• Top-Hat Strahlformer
• Homogenisierer/Diffusoren
• Elliptische Diffusoren
• Vortex-Linsen
• Diffraktive Axikon-Elemente
• DOEs für strukturiertes Licht

Die Schrift US 10370267 B2 offenbart ein Behältnis zur Desinfektion von Flüssigkeiten, bei dem das Behältnis ein oder mehrere Strahlquellen, die Strahlung im UV-Bereich abgeben, aufweist. Das Behältnis wird von der Flüssigkeit durchströmt und weist diffus reflektierende Oberflächen auf, die die UV-Strahlung durch die Flüssigkeit leiten.
Der Einsatz von PTFE, wie in dem Patent beschrieben, ermöglicht einen Reflektionsgrad von ca. 97%. Jedoch wird die Dekontaminationseffizienz durch die diffuse mehrfach Reflektion der divergierenden UV-LEDs in der Reaktionskammer reduziert. Der Reflektionswirkungsgrad nimmt sehr stark kumulativ ab. Zudem unterliegt der Reflektor des Behältnisses zusätzlich einer sehr schnellen, schwerwiegenden Beeinträchtigung des Reflektionsvermögens, die sich je nach Wassergüte, schon nach wenigen Stunden durch Ablagerungen von gelösten Ionen, wie von Calcium, Natrium und Eisen etc. und allgemeinen Schmutzpartikeln einstellen kann. Eine effiziente und sichere Dekontamination von Pathogenen wird somit rasant eingeschränkt. Ein regelmäßiger Komponentenaustausch verursacht entsprechend anfallende Wartungszyklen, beziehungsweise Wartungskosten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen bereitzustellen, mit dem eine Desinfektion zuverlässig, kostengünstig und energieeffizient durchgeführt werden kann und robust gegenüber Ablagerungen auf den Flächen der Reaktionskammer ist.
Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, einen Diffusionsreaktor zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen bereitzustellen, mit dem eine Desinfektion zuverlässig, kostengünstig und energieeffizient durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen weist vier Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird eine Strahlungsbarriere in einer Desinfektionskammer erzeugt. Die UV-Strahlung der Strahlquelle wird durch optische Bauelemente derart geformt, dass UV-Strahlung eine Fläche und/oder ein Volumen innerhalb der Desinfektionskammer beaufschlagt. Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Flüssigkeits- und/oder ein Gasstrom in die Desinfektionskammer eingeleitet. Die Desinfektionskammer weist dazu an einer Seite einen Einlass auf. Im dritten Verfahrensschritt wird der Flüssigkeits- und/oder Gasstrom durch mehrere Volumenbereiche der Desinfektionskammer geleitet. Im vierten Verfahrensschritt wird der Flüssigkeits- und/oder Gasstrom aus der Desinfektionskammer geschleust. Die Desinfektionskammer weist dazu an der dem Einlass gegenüberliegenden Seite einen Auslass auf.
Erfindungsgemäß werden die Volumenbereiche der Desinfektionskammer durch die Strahlungsbarriere, eine Wand der Desinfektionskammer, sowie eine Strömungsleitfläche eines Strömungsleitelementes gebildet. Die einzelnen Volumenbereiche der Desinfektionskammer sind durch die Strahlungsbarriere, durch eine Wand der Desinfektionskammer, sowie eine Strömungsleitfläche eines Strömungsleitelementes vollständig voneinander getrennt. Durch diese vorteilhafte Anordnung wird die zu desinfizierende Substanz mehrfach durch die Strahlungsbarriere geleitet. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das Strömungsleitelement als separates Bauelement in der Desinfektionskammer angeordnet. Vorteilhafterweise weist die Desinfektionskammer mehrere gleichartige Strömungsleitelemente auf. Die Desinfektionskammer kann durch Einbau weiterer gleichartiger Strömungsleitelemente vergrößert werden. Zusätzlich sind die Herstellungskosten eines Strömungsleitelementes aufgrund einer möglichen Serienfertigung verringert.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitelement an einer Wand der Desinfektionskammer befestigt. Ein Strömungsleitelement ist daher vorteilhafterweise an einer Seite der Desinfektionskammer angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom durch ein Strömungsleitelement mit mehreren Strömungsleitflächen und/oder durch die Strömungsleitflächen mehrerer Strömungsleitelemente geführt. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird durch die Strömungsleitflächen innerhalb der Desinfektionskammer geführt. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Strömungsleitfläche eine gekrümmte Oberfläche auf, entlang derer der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom geführt wird. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die Strahlung der Strahlungsbarriere durch ein für die Strahlung transparentes Fenster in die Desinfektionskammer eingestrahlt. Das transparente Fenster kann im Brewster-Winkel angeordnet sein, um polarisierte Strahlung in die Desinfektionskammer eintreten zu lassen. Das Fenster kann ebenfalls verschiebbar gestaltet sein, um den Einlass der Strahlungsbarriere zu steuern. Weiterhin kann auch das Austrittsfenster im Brewster-Winkel zur Strahlrichtung angeordnet sein.
Die Verwendung eines Brewster-Fensters aus Quarzglas ist von Vorteil, da auf eine aufwendige, kostenintensive Antireflexbeschichtung verzichtet werden kann, welche zudem durch die UV-Strahlung einer schnellen Degradation unterliegt. Die Transmission von polarisiertem Licht durch ein Fenster im Brewster-Winkel ist nahezu verlustfrei. Bei einer etwaigen Degradation durch das UV-Licht oder allgemeiner Verschmutzung des Brewster-Fensters, kann dieses um einen entsprechenden Betrag vorschoben werden, um einen unversehrten Durchgang des Lichts zu gewährleisten. Ein sich drehendes, im Brewster-Winkel angeordnetes rotierendes, kreissymmetrische Fenster wäre als ein weiteres Ausführungsbeispiel vorteilhaft anwendbar.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird die Strahlungsbarriere in einer Breite B erzeugt, die größer oder gleich einem Innendurchmesser D der Desinfektionskammer ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der durch die Strömungsleitelemente umgelenkte Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strahlungsbarriere strömen muss, vorteilhafterweise mehrfach. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom mehrfach durch die Strahlungsbarriere geführt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der durch die Strömungsleitelemente umgelenkte Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strahlungsbarriere strömen muss, vorteilhafterweise mehrfach. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Strahlungsbarriere umgelenkt. Durch geeignete optische Bauteile wird die Strahlungsbarriere derart umgelenkt, dass sie in einem Winkel zur primär eingestrahlten Strahlungsbarriere wieder in die Desinfektionskammer eingestrahlt wird (sekundäre Strahlungsbarriere). So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. Möglich ist auch eine Umlenkung der Strahlungsbarriere zur Einleitung der Strahlungsbarriere in weitere Desinfektionskammern. Somit werden mittels einer Strahlquelle eine Mehrzahl von Desinfektionskammern betrieben.
In einer Weiterbildung der Erfindung entstehen infolge der Umlenkung der Strahlungsbarriere mehrere Strahlungsbarrierenabschnitte in der Desinfektionskammer. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund der Strömungsleitelemente mehrfach durch die Strahlungsbarrierenabschnitte geleitet. So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Strahlung der Strahlungsbarriere Laserstrahlung. UV-Licht, besonders das UV-C-Spektrum, ist geeignet, Bakterien und Viren wirksam zu deaktivieren. UV-C ist dabei das Spektrum zwischen 280 und 100 Nanometern (nm) Wellenlänge. Dieser Bereich des UV-Lichts wird im Gegensatz zum UV-A- (380 nm-315 nm) und UV-B-Bereich (315 nm-280 nm) nahezu vollständig vom Sauerstoff in der Atmosphäre absorbiert und erreicht unter natürlichen Bedingungen nicht die Erdoberfläche. Innerhalb des UV-C-Spektrums muss man dabei nochmal nach der biologischen Wirkung unterscheiden. So absorbieren bei 280 nm vor allem Proteine - insbesondere als Bestandteil die Aminosäure Tryptophan -, was zur Denaturierung führt. Bei 265 nm werden Nukleinsäuren insbesondere durch Dimerisierung der Base Thymin geschädigt. Im Bereich von 245 nm absorbieren vor allem die Nukleinsäuren, während es für Proteine in dem Bereich ein Absorptionsminimum gibt, was die technische Anwendung eines engen Frequenzspektrums etwa zur Desinfektion von Proteinlösungen erlaubt.
Die Aufgabe wird ebenfalls mittels eines Desinfektionsreaktors zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen gelöst.
Der erfindungsgemäße Desinfektionsreaktor zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen weist eine Desinfektionskammer auf, die einen Einlass sowie einen Auslass für die zu desinfizierende Substanz aufweist. Weiterhin weist die Desinfektionskammer eine Kammerwand auf. Die erfindungsgemäße Desinfektionskammer weist außerdem ein Strömungsleitelement auf. Die Desinfektionskammer weist zusätzlich ein Strahlungselement auf, das geeignet ist, eine Strahlungsbarriere in der Desinfektionskammer zu erzeugen.
Erfindungsgemäß weist die Desinfektionskammer mehrere Volumenbereiche auf, die durch die Strahlungsbarriere, das Strömungsleitelement und die Kammerwand vollständig voneinander getrennt sind. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund des Strömungsleitelementes mehrfach durch die Strahlungsbarriere geleitet. So wird die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist das Strömungsleitelement eine Strömungsleitfläche auf. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird durch die Strömungsleitflächen innerhalb der Desinfektionskammer geführt. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Strömungsleitfläche eine gekrümmte Oberfläche auf. Der Gasstrom bzw. Flüssigkeitsstrom wird an der Strömungsleitfläche derart abgelenkt, dass er die Strahlungsbarriere kreuzt/schneidet. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird durch die Strömungsleitflächen innerhalb der Desinfektionskammer geführt. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Desinfektionskammer mehrere Strömungsleitelemente und/oder Strömungsleitflächen auf. Die Desinfektionskammer kann durch Einbau weiterer gleichartiger Strömungsleitelemente vergrößert werden. Zusätzlich sind die Herstellungskosten eines Strömungsleitelementes aufgrund einer möglichen Serienfertigung verringert.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist jeder Volumenbereich durch mindestens eine Strahlungsbarriere von einem benachbarten Volumenbereich getrennt. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund der Strömungsleitelemente mehrfach durch die Strahlungsbarrierenabschnitte geleitet. So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Desinfektionskammer mehrere Strahlungsbarrieren auf. Durch geeignete optische Bauteile wird die Strahlungsbarriere derart umgelenkt, dass sie in einem Winkel zur primär eingestrahlten Strahlungsbarriere wieder in die Desinfektionskammer eingestrahlt wird (sekundäre Strahlungsbarriere). So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Desinfektionskammer für die durch das Strahlungselement erzeugte Strahlung ein transparentes Fenster auf. Das transparente Fenster kann im Brewster-Winkel angeordnet sein, um polarisierte Strahlung in die Desinfektionskammer eintreten und/oder austreten zu lassen. Das Fenster kann ebenfalls verschiebbar gestaltet sein, um den Einlass der Strahlungsbarriere zu verhindern.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Desinfektionskammer Elemente zur Ablenkung der durch das Strahlungselement erzeugten Strahlung auf. Die Strahlungsbarriere kann z.B. in weitere Desinfektionskammern eingeleitet werden. Somit werden mittels einer Strahlquelle eine Mehrzahl von Desinfektionskammern betrieben.
In einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung ist der Einlass vom Auslass durch mehrere Volumenbereiche getrennt. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund der Strömungsleitelemente mehrfach durch die Strahlungsbarrierenabschnitte geleitet. So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Desinfektionsreaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1: Desinfektionsreaktor mit Strahlungsquelle
2 a: Desinfektionsreaktor mit konkaven Strömungsleitelementen- Seitenansicht
2 b: Desinfektionsreaktor mit konkaven Strömungsleitelementen - Draufsicht
2 c: Desinfektionsreaktor mit konkaven Strömungsleitelementen - perspektivische Ansicht
3 a) - 3 c): Desinfektionsreaktor als Vortex-Kammer mit zwei Strahlungsbarrieren
4: Desinfektionsreaktor für divergierende Strahlungsbarriere
5 a: Desinfektionsreaktor mit konvexen Strömungsleitelementen - Seitenansicht
5 b: Desinfektionsreaktor mit konvexen Strömungsleitelementen - perspektivische Ansicht
6 a) - 6 c): Desinfektionsreaktor als Vortex-Kammer mit einer Strahlungsbarriere

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Desinfektionsreaktors 1 zur Desinfektion von Gasen und/oder Flüssigkeiten. Der Desinfektionsreaktor 1 weist die Desinfektionskammer 100 auf, die von den Seitenwänden 120, 130 seitlich, von den Wänden 140, 150 an den Stirnseiten sowie von Wandungen an Ober- und Unterseite (nicht dargestellt) begrenzt wird. Die Desinfektionskammer 100 weist für Eintritt und Austritt der zu desinfizierenden Substanz (Gas oder Fluid) geeignete Öffnungen 170, 180 auf. Die Desinfektionskammer 100 weist zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 sind als separate Bauteile an den Wänden 110, 120 in der Desinfektionskammer 100 angeordnet.
Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils an der konkav gekrümmten Seite eine Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird. Ein Strömungsleitelement 150 weist im Wesentlichen die Form eines halbierten Zylinders auf. Andere Formen der Strömungsleitelemente 150 sind ebenfalls möglich, z. B. eine Sägezahn-Form. Nötig ist nur eine geeignete Form, so dass der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom um die Mittelachse der Desinfektionskammer 100 umgelenkt wird.
Die Stahlquelle 290 ist ein Laser, der Strahlung mit einer Wellenlänge im UV-Bereich, vorzugsweise im UV-C-Bereich (280 nm bis 100 nm) erzeugt. Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 auf, mit dem der Laserstrahl zu einer Ebene aufgeweitet wird. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft.
An der Seite der Desinfektionskammer 100, die dem Eintrittsfenster 210 gegenüber liegt, weist die Desinfektionskammer 100 ein Austrittsfenster 220 auf. Die Laserbarriere 200 kann daher in weitere Desinfektionskammern 100 z.B. mittels einer Umlenkoptik 230 geleitet werden. Das Eintrittsfenster 210 ist ebenso wie das Austrittsfenster 220 senkrecht zur Ebene der Laserbarriere 200 verschiebbar.
Zur Desinfektion eines Gases oder einer Flüssigkeit wird in der Desinfektionskammer 100 die Strahlungsbarriere 200 aufgebaut. In diesem Ausführungsbeispiel verläuft die Strahlungsbarriere 200 entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100. Die zu desinfizierende Substanz wird über den Einlass 170 in die Desinfektionskammer 100 derart geleitet, dass sich in der Desinfektionskammer 100 ein kontinuierlicher Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom ausbildet. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom hat optimalerweise eine während des Desinfektionsvorgangs konstante Strömungsrate (Volumen/Zeiteinheit). Die zu desinfizierende Substanz verlässt die Desinfektionskammer 100 über den Auslass 180. Zwischen Einlass 170 und Auslass 180 wird der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitflächen 160 der Strömungsleitelemente 150 durch die Laserbarriere 200 geleitet, vorteilhafterweise in mehreren durch die Strömungsleitelemente 150 gebildeten Volumenbereiche, was die Zeit erhöht, die die Laserbarriere 200 auf die zu desinfizierende Substanz einwirken kann.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Desinfektionsreaktors 1 zur Desinfektion von Gasen und/oder Flüssigkeiten zeigt 2. Die Desinfektionskammer 100 entspricht der in 1 beschriebenen Desinfektionskammer 100 (2 a, 2 b). Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. An dieser Stelle sitzt auch die in 2 nicht dargestellte Kollimatoroptik, wie zum Beispiel eine Zylinderlinse. In einer alternativen Ausführungsform kann die Zylinderlinse auch verschiebbar ausgeführt sein und/oder als Eintrittsfenster der Desinfektionskammer 100 dienen. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 auf, mit dem der Laserstrahl aufgeweitet wird. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft. In diesem und dem vorigen Ausführungsbeispiel (1) weist die Strahlungsbarriere 200 eine Breite B auf, die der Breite der Desinfektionskammer 100 entspricht. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel (1) ist in diesem Ausführungsbeispiel (2 c) das Eintrittsfenster 210 im Brewsterwinkel angeordnet.
2 verdeutlicht das Verfahren zur Desinfektion eines Gases oder einer Flüssigkeit. Die Desinfektionskammer 100 weist zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils eine gekrümmte Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird. Zur Desinfektion eines Gases oder einer Flüssigkeit wird in der Desinfektionskammer 100 die Strahlungsbarriere 200 aufgebaut. Die Strahlungsbarriere 200 verläuft genau in der Mitte zwischen den beiden Reihen der Strömungsleitelemente 150. Zwischen Einlass 170 und Auslass 180 wird der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitflächen 160 der Strömungsleitelemente 150 durch die Laserbarriere 200 geleitet, vorteilhafterweise in mehreren Punkten, was die Zeit erhöht, die die Laserbarriere 200 auf die zu desinfizierende Substanz einwirken kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Desinfektionsreaktors 1 zeigt 4. Die Desinfektionskammer 100 weist ebenfalls zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils eine gekrümmte Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Desinfektionskammer 100 Wandungen 190, 191 an der Oberseite und Unterseite auf, die in einem Winkel zur Mittelachse der Desinfektionskammer 100 angeordnet sind. Die Wandungen 190, 191 sind derart verspiegelt, dass die Laserbarriere 200 nicht aus der Desinfektionskammer 100 austritt. Alternativ kann die Wandung 190, 191 auch unverspiegelt als Strahlbegrenzung fungieren. Die Strahlungsbarriere 200 weist eine Breite B auf, die dem Verlauf der Wandungen 190, 191 folgt.
5 zeigt eine weitere Variante von Strömungsleitelementen 150. Die Desinfektionskammer 100 weist ebenfalls zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils an der konvex gekrümmten Seite eine Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird (5 a). Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft (5 b). Im weiteren Aufbau entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem in 1 gezeigten Desinfektionsreaktor 1.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Desinfektionskammer 100 zeigt 6. Die Desinfektionskammer 100 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit Innendurchmesser D auf (6 a). In der Desinfektionskammer 100 wird das Strömungsleitelement 150 durch die Zylinderwand 110 gebildet, so dass die Strömung des durch die Desinfektionskammer 150 geleiteten Fluids oder Gases eine Spirale (Vortex) in Längsrichtung der Desinfektionskammer 100 bildet (6 b). Die Strömungsleitfläche 160 ist die gesamte Zylinderwandfläche 110 der Spirale.
Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 (nicht dargestellt) auf, mit dem der Laserstrahl in einer Ebene aufgeweitet und kollimiert wird. Optional kann das Element zur Strahlformung 240 (z.B. ein Kollimator) auch außerhalb der Desinfektionskammer 100 angeordnet sein. Weiterhin kann das Element zur Strahlformung 240 auch als Scan-System ausgebildet sein. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft.
Die zu desinfizierende Substanz wird über den Einlass 170 in die Desinfektionskammer 100 derart geleitet, dass sich in der Desinfektionskammer 100 ein kontinuierlicher Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom ausbildet. Die zu desinfizierende Substanz verlässt die Desinfektionskammer 100 über den Auslass 180. Zwischen Einlass 170 und Auslass 180 wird der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitfläche 150 verwirbelt (6 c) und mehrfach durch die Laserbarriere 200 geleitet.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Desinfektionskammer 100, in der zwei Strahlungsbarrieren 200 angeordnet sind. Die Desinfektionskammer 100 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit Innendurchmesser D auf (3 c). Innerhalb der Desinfektionskammer 100 ist ein Strömungsleitelement 150 derart angeordnet, dass das Strömungsleitelement 150 eine Spirale (Vortex) in Längsrichtung der Desinfektionskammer 150 bildet (3 a). Die Strömungsleitfläche 160 ist die gesamte Oberfläche der Spirale 150. Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 auf, mit dem der Laserstrahl aufgeweitet wird. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine primäre Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft. Durch geeignete optische Komponenten 230, die an der dem Fenster 210 gegenüberliegenden Seite der Desinfektionskammer 100 angeordnet sind, wird die Strahlungsbarriere 200 derart umgelenkt, dass sie in einem senkrechten Winkel (3 b) zur primär eingestrahlten Strahlungsbarriere 200 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt wird (sekundäre Strahlungsbarriere). So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante können verstellbare Strömungsleitelemente 150 eines Tesla-Ventils zur Steuerung der Durchflussgeschwindigkeit bzw. der Wirbelausbreitung/Wirbelwirkbereich verwendet werden.
Für die Strahlung wird bevorzugt ein Laserstrahl mit ca. 0,55mRad Strahlendivergenz bei 1 mm Strahldurchmesser verwendet. Dies garantiert einen exponentiell höheren Wirkungsbereich gegenüber herkömmlichen, stark divergierenden Strahlquellen, wie zum Beispiel Gasentladungslampen oder LEDs. Die Leistungsdichte bleibt über die Weglänge nahezu gleich. Eine Absorption durch Luft und Pathogene ist vernachlässigbar klein.
Zur Veranschaulichung: Die Leistungsdichte eines Laserstrahls am Austritt der Strahlquelle 290 ist auch nach mehreren Metern Entfernung weitestgehend unverändert. Erfolgt eine Aufweitung des Laserstrahls, verringert sich entsprechend dem Aufweitungsfaktor die Strahlendivergenz, sodass beispielsweise auch in einer Entfernung von 100 Metern die Leistungsdichte genügend groß ist, seine Wirkung zu entfalten. Folglich ist es unerheblich, ob pathogene Substanzen den Laserstrahl unmittelbar am Austritt der Strahlquelle 290 durchlaufen oder in einiger Entfernung. Wird der Laserstrahl durch mehrfach Reflektion zu einer Lichtebene/Lichtmauer 200 ausgebildet, so wird eine wirksame, großflächige Barriere für pathogene Substanzen gewährleistet. Jeder Durchgangspunkt in der „Strahlen-Lichtmauer“ 200 erfährt die gleiche Leistungsdichte. Bei der Verwendung einer Linienoptik, wie z.B. einer Powell-Linse, wird die Leistungsdichte des Laserstrahls homogen verteilt.
Bevorzugt wird eine beugungsbegrenzte Laserstrahlung mit der Beugungsmaßzahl M2 nahe 1 ; 0,5mJ - 4mJ im höheren kHz-Bereich bei wenigen Nanosekunden Pulsdauer und einer Wellenlänge von 266nm. Laser im Femtosekunden - oder Pikosekunden - Bereich, welche üblicherweise eine Pulsspitzenleistung im MW oder GW-Bereich erzeugen, sowie kontinuierliche Laser können auch zum Einsatz kommen. In unserer Ausführungsform kommt eine Pulsspitzenleistung von bis zu 250 kW zur Anwendung. Ein kostengünstiger UV-C-Laser mit einer Lebensdauer von 50000 Stunden kommt vorzugsweise zur Anwendung.
Allgemeine Vorteile des UV-C-Lasers gegenüber herkömmlichen UV-C-Strahlquellen zur Inaktivierung von Pathogenen:

Es können unübertroffene, hohe Impulsspitzenleistungen, beziehungsweise hohe Durchschnittsleistungen erzeugt werden. Das Licht besitzt dabei eine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz. Durch die Schmalbandigkeit des Laserlichts gegenüber herkömmlichem, spontan emittierendem, breitbandigem Licht von Gasentladungslampen, einschließlich der LED, wird zusätzlich eine Erhöhung der Inaktivierung von Viren gewährleistet.

Die Möglichkeit der Strahlformung des Lasers und die daraus resultierende Flächenhomogenität und Leistungsdichte ist gegenüber gewöhnlichen UV-C Lichts signifikant höher.
Die Laserstrahlung kann zu jedem beliebigen Ort geführt und „weiterverarbeitet“ werden.
Die Lasertechnologie ist die einzige Möglichkeit einer kostengünstigen, effizienten Desinfektion von Pathogenen wie Viren in großen öffentlichen Einrichtungen wie Krankenhäuser, Schulen, Kaufhäuser, Flughäfen, Hotels, Bahnhöfe, Büros sowie Flugzeuge usw. - eine Desinfektion in kürzester Zeit, mit größtmöglichem Wasser - und Luftdurchsatz.
Bezugszeichenliste

1: Desinfektionsreaktor
100: Desinfektionskammer
110: Seitenwand
120: Seitenwand
130: Stirnwand
140: Stirnwand
150: Strömungsleitelement
160: Strömungsleitfläche
170: Einlass Gasstrom/Flüssigkeitsstrom
180: Auslass Gasstrom/Flüssigkeitsstrom
190: Wandung an Oberseite
191: Wandung an Unterseite
200: Strahlungsbarriere
210: Transparentes Eintrittsfenster
220: Transparentes Austrittsfenster
230: Umlenkoptik
240: Element zur Strahlformung
290: Strahlungselement/Strahlquelle
B: Breite der Strahlungsbarriere
D: Durchmesser der Desinfektionskammer
Vn: Volumenbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4661264 [0003]
US 10370267 B2 [0006]

Claims

Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen, das folgende Verfahrensschritte aufweist: • Erzeugen einer Strahlungsbarriere (200) in einer Desinfektionskammer (100) • Einschleusen eines Gas- und/oder eines Flüssigkeitsstromes in die Desinfektionskammer (100) • Führen des Gas- und/oder Flüssigkeitsstroms durch mehrere Volumenbereiche (Vn) der Desinfektionskammer (100) • Ausschleusen des Gas- und/oder der Flüssigkeitsstromes aus der Desinfektionskammer (100) dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenbereiche (Vn) in der Desinfektionskammer (100) durch die Strahlungsbarriere (200), eine Kammerwand (110, 120) und eine Strömungsleitfläche (160) eines Strömungsleitelementes (150) gebildet werden und die Volumenbereiche durch die Kammerwand (110, 120), die Strahlungsbarriere (200) und die Strömungsleitfläche (160) vollständig voneinander getrennt sind.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (150) als separates Bauelement in der Desinfektionskammer (100) angeordnet ist.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (150) an einer Wand (110, 120) der Desinfektionskammer (100) befestigt ist.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom durch ein Strömungsleitelement (150) mit mehreren Strömungsleitflächen (160) und/oder durch die Strömungsleitflächen (160) mehrerer Strömungsleitelemente (150) geführt wird.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitfläche (160) eine gekrümmte Oberfläche aufweist, entlang derer der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom geführt wird.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsbarriere (200) durch ein für die Strahlung transparentes Fenster (210) in die Desinfektionskammer (100) eingestrahlt wird.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbarriere (200) in einer Breite B erzeugt wird, die größer oder gleich einem Innendurchmesser D der Desinfektionskammer (100) ist.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom mehrfach durch die Strahlungsbarriere (200) geführt wird.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbarriere (200) umgelenkt wird.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass infolge der Umlenkung der Strahlungsbarriere (200) mehrere Strahlungsbarrierenabschnitte (Vn) in der Desinfektionskammer (100) entstehen.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsbarriere (200) Laserstrahlung ist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen umfassend: • eine Desinfektionskammer (100), wobei die Desinfektionskammer (100) einen Einlass (170) und einen Auslass (180) sowie eine Kammerwand (110, 120) aufweist, • ein Strömungsleitelement (150), • ein Strahlungselement (290), das geeignet ist, eine Strahlungsbarriere (200) in der Desinfektionskammer (100) zu erzeugen dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) mehrere durch die Strahlungsbarriere (200), das Strömungsleitelement (160) und die Kammerwand (110, 120) vollständig voneinander getrennte Volumenbereiche (Vn) aufweist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (150) eine Strömungsleitfläche (160) aufweist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitfläche (160) eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) mehrere Strömungsleitelemente (150) und/oder Strömungsleitflächen (160) aufweist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Volumenbereich (Vn) durch mindestens eine Strahlungsbarriere (200) von einem benachbarten Volumenbereich (Vn) getrennt ist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) mehrere Strahlungsbarrieren (200) aufweist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) für die durch das Strahlungselement (290) erzeugte Strahlung ein transparentes Fenster (210, 220) aufweist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) Elemente zur Ablenkung der durch das Strahlungselement (290) erzeugten Strahlung aufweist.
Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (170) vom Auslass (180) durch mehrere Volumenbereiche getrennt ist.