DE102022104272A1

DE102022104272A1 - Biophotonische Filtervorrichtung zur Inaktivierung von Mikroorganismen in einem Filtrat

Info

Publication number: DE102022104272A1
Application number: DE102022104272.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Lausch; Petra Puhlfürß; Mathias Herrmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2022-02-23
Publication date: 2022-09-01

Abstract

Biophotonische Filtervorrichtung (1) zur Inaktivierung von Mikroorganismen in einem Permeat umfassend eine Filterfläche (5) zum Durchtritt eines Filtrats, eine von einem Permeat umströmte Filterfüllung (3) und wenigstens eine Strahlungsquelle (4) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, wobei die Filterfüllung (3) mineralische Kugelpartikel (6) zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei zwischen den Filterpartikeln (6) durch Photokatalyse wirksame oder durch Wasseroxidation wirksame keiminaktivierende Partikel (12) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft biophotonische Filtervorrichtungen zur Inaktivierung von Mikroorganismen in einem Filtrat gemäß dem unabhängigen Anspruch. Ebenso betrifft die Erfindung ein Filterverfahren zur Inaktivierung von Mikroorganismen nach dem nebengeordneten Anspruch.
Die Erfindung liegt im technischen Gebiet von optisch funktionalen Filtermembranen insbesondere von modularen, kaskadierbaren und kombinierbaren Filtermembranmodulen.
In vielen Bereichen der Umweltanalytik gibt es differenzierte Filteraufgaben aufgrund komplexer Probenmessungen. So kann die Abtrennung von Mikroorganismen aus der Wasserprobe sinnvoll sein, um nachfolgende Analyseschritte nicht zu beeinflussen. Umgekehrt kann es ebenfalls sinnvoll sein, bereits auf einer solchen chemisch neutralen keramischen Separationsmembran biochemische Analyse- bzw. Probenaufbereitungsschritte durchzuführen.
Generell kann eine Probe nur dann als repräsentativ gelten, wenn sich diese nach ihrer Vereinzelung als entnommene Probe nicht anders verhält als die Probenquelle bzw. wenn sie sich nach Entnahme als isolierte Probe nicht anders verändert als die Probenquelle. Mitentnommene Mikroorganismen können daher die jetzt isolierte autarke Probe über Verstoffwechselung signifikant gegenüber der größeren Probenquelle verändern. So können bspw. Nitrat, Nitrit-, Ammonium- und Phosphatverbindungen bezüglich der wahren Konzentrationsverhältnisse verändert werden.
Bekannte Inaktivierungsverfahren mittel UVC- und IR-Strahlung sowie mittels aktiver Materialien benötigen für sich immer definierte Längen bzw. Dimensionen der bestrahlbaren Luft- und Fluidströmungsbereiche. Dies trifft auch auf Oberflächen mit inaktivierenden Beschichtungen jeglicher Art zu. Inaktivierung bedeutet die praktisch vollständige Zerstörung der biologischen Aktivitäten von Mikroorganismen und biologischen Agenzien.
Bei relativ kleinen, kompakten Systemumgebungen stehen diese oft nicht zur Verfügung. Hier können hybride Verfahrensanordnungen mit einem gewünschten kombinatorischen Gesamtwirkungsgrad zum Einsatz kommen.
Bei den Filtervorrichtungen nach dem Stand der Technik ergibt sich das Problem, dass die Mikroorganismen nicht zuverlässig in ausreichendem Maße abgetrennt werden können. Dadurch bleiben ungewollte Rückstände in der zu analysierenden Probe. Dadurch kommt es zu einer Beeinflussung der Analyseergebnisse. So kann sich ein Bedarf dahingehend ergeben, mehrere differenzierte Filteraufgaben parallel durchführen zu können. Dazu muss eine Vorrichtung zur Durchführung mehrerer Filterprozesse bereitgestellt werden.
Auch die Lufthygiene ist ein wesentliches Einsatzfeld von Filtervorrichtungen, denn über die Luft können sich schädliche Mikroorganismen problemlos verbreiten. Abhilfe schaffen hier Luftentkeimungssysteme, welche entsprechende Filtervorrichtungen integriert haben.
Die Erfindung hat die Aufgabe eine biophotonische Filtervorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile im Stand der Technik überwindet und eine verbesserte Abtrennung von Mikroorganismen ermöglicht. Ebenso hat die Erfindung die Aufgabe ein Filterverfahren zur Akkumulation und Inaktivierung von Mikroorganismen anzugeben, welche Nachteile im Stand der Technik überwindet und eine verbesserte Abtrennung von Mikroorganismen ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine biophotonische Filtervorrichtung zur Inaktivierung von Mikroorganismen in einem Permeat mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Filterverfahren zur Akkumulation und Inaktivierung von Mikroorganismen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 15 gelöst.
Die Erfindung umfasst biophotonische Filtervorrichtung zur Inaktivierung von Mikroorganismen in einem Permeat. Die biophotonische Filtervorrichtung umfasst eine Filterfläche zum Durchtritt eines Filtrats und eine von einem Permeat umströmte Filterfüllung. Weiterhin umfasst die biophotonische Filtervorrichtung wenigstens eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung. Zwischen den Filterpartikeln sind durch Photokatalyse wirksame oder durch Wasseroxidation wirksame, keiminaktivierende Partikel aus mindestens einem Material angeordnet. Diese sind ausgewählt aus der Gruppe von wolframhaltigen Materialien, wolframcarbidhaltigen Materialien, Materialien der Basaltvariationen und kupferhaltigen Materialien.
Die Filterfüllung umfasst optisch transmissive Filterpartikel zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung. Bevorzugt sind die Filterpartikel in kugelförmiger Gestalt. Sie können aber auch irreguläre Formen, wie Tetraeder, Oktaeder, Ellipsen oder andere Polyeder annehmen. Die mineralischen Partikel der Filterfüllung bewirken, dass die Strahlung durch die Filterfüllung über die Oberfläche sowie über die Berührungs- und/oder gesinterten Verbindungsbereiche (z.B. in Form von Sinterhälsen) hindurch geleitet werden kann. Das diese Kugelfilter durchströmende Filtrat wird dadurch optimal über die Kugeloberflächen geleitet und damit auf biophotonische oder biochemische Weise biologisch inaktivierbar gemacht.
Ein vorteilhafter Aspekt besteht weiterhin darin, dass die Kugelpartikel aus Quarz und/oder Quarzglas oder aus einer Mischung dieser mit anderen SiO₂ Modifikationen bestehen. Es sind prinzipiell auch andere im UV-Bereich durchlässige Partikel nutzbar, z.B. teil oder vollstabilisiertes ZrO₂ Spinell (MgAl₂O₄), Y-Al-Granat (Y₃Al₅O₁₂) oder abhängig von den Anforderungen der Anwendung stehen auch andere Komponenten z. B. Zinkselenid (ZnSe), Kalziumfluorid (CaF₂), Lithiumfluorid (LiF) und Magnesiumfluorid (MgF₂). oder optische Gläser mit verschiedenen UV- oder IR-Transmissionseigenschaften zur Verfügung. Diese können jeweils auch in Kombination miteinander genutzt werden. Durch diese transmissiven Lichtleiter kann die Strahlung besonders gut durch die Filterfüllung als lichtleitende Kugeln hindurch geleitet werden. Diese Kugeln weisen im anwendungsspezifisch vorteilhaften Wellenlängenbereich (UVC, IR) eine jeweils ausreichende Transmissionsrate auf.
Diese kann z. B: an 1 mm dicken Scheiben bestimmt werden. Die Transmission sollte > 25 % vorteilhafter Weise > 50% noch vorteilhafter Weise > 70 bzw. 90% im anwendungsspezifisch Wellenlängenbereich betragen.
Die DE 10 2015 102 427 beschreibt einen solchen, elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des UV-Lichts emittierenden Körper, ein Verfahren zur Bestrahlung mit einem solchen Körper sowie Verwendungen eines solchen Körpers.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Filterpartikel lose gestapelt in der Filterfüllung angeordnet sind und/oder derart aneinander gesintert sind, dass zwischen den einzelnen Filterpartikeln ein Sinterhals entsteht. Dies ermöglicht zum Beispiel im Fall von Quarzkugeln, dass die elektromagnetische Strahlung über die Kugeloberfläche ungehindert von einer Quarzkugel auf die nächste, angrenzende Quarzkugel übergehen kann.
Nach einem bevorzugten Aspekt sind zwischen den kugelförmigen Partikeln zusätzlich photokatalytische Partikel angeordnet oder diese Filterpartikel sind zumindest partiell photokatalytisch beschichtet. Die Beschichtung ist vorteilhafter Weise > 5 %, insbesondere > 30% der Oberfläche. Diese photokatalytischen Elemente haben eine keiminaktivierende Wirkung und können somit als Funktionserweiterung integriert werden.
Nach einem vorteilhaften Aspekt sind die photokatalytisch wirksamen Kugeln der Filterfüllung Titanoxidkugeln oder -beschichtungen. Diese können durch die eingekoppelte UVC-Strahlung funktional photokatalytisch wirken und damit als keimreduzierende Oberflächen aktiviert werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn neben den o.g. photokatalytisch wirksamen Titanoxidkugeln der Filterfüllung auch anderweitig ergänzt oder ersetzt werden kann, bspw. mit Partikeln aus Materialien der Basaltvariationen sowie mit Wolfram- oder Wolframkarbidhaltigen Partikel, Cu-haltigen Kugeln, Cu-haltigen Werkstoffe sowie aus reinem Wolframcarbid. Diese Materialien zeigten in Versuchen einen besonders guten Virusreduktionsfaktor von größer gleich 4, so dass in diesem Fall von einer signifikanten Virusreduktion gesprochen werden kann.
Nach einem bevorzugten Aspekt ist die Filterfüllung unmittelbar angrenzend zur Filterfläche angeordnet. Dies ermöglicht einen direkten Übergang der Permeats von der Filterfüllung zur Filterfläche.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die biophotonische Filtervorrichtung in der Gestalt eines Filterrohrsegmentes vorliegt und das Filterrohrsegment eine Filterrohrinnenwand und eine Filterrohraußenwand umfasst. Die Filterrohrinnenwand und/oder die Filterrohraußenwand umfasst eine photokatalytisch wirkende Filterschicht aus Titanoxidpartikeln.
Vorteilhafterweise ist die Oberfläche der Filterfüllung zum Lufteintritt in die Filtervorrichtung kleiner gleich der Oberfläche der Filterrohrinnenwand. Dies verhindert, dass es in der Filtervorrichtung zu einem Luftstau kommt.
Vorteilhafterweise weist das in der Beschreibung und in den Figuren gewählte Filterrohrsegment eine Höhe von 30 mm, einen Innendurchmesser von 20 mm, einen Außendurchmesser von 26 mm und eine Wanddicke von 3 mm auf. Diese kompakte Bauweise ermöglicht die Integration einer erfindungsgemäßen biophotonischen Filtervorrichtung in einem vergleichsweise zu linearen Anordnungen sehr engen kompakten Bauraum.
Nach einem bevorzugten Aspekt sind wenigstens zwei Filterrohrsegmente unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet. Dies ermöglicht eine Steigerung der Filterleistung und damit eine verbesserte Qualität des Filtrats.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Strahlungsquelle eine oberhalb und/oder unterhalb der Filterfüllung angeordnete UVC-LED ist. Derartige Strahlungsquellen sind leistungsfähig und zugleich kosten- und energiesparend.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Filterverfahren zur Inaktivierung von Mikroorganismen und impliziert die nachfolgenden Schritte:

a. Bereitstellen einer biophotonischen Filtervorrichtung wie hier beschrieben
b. Durchströmen eines Filtrats durch die Filtervorrichtung
c. Akkumulation von Mikroorganismen an der Oberfläche der durchströmten Filterfüllung
d. Inaktivierung der Mikroorganismen mittels einer elektromagnetischen Strahlung
e. Inaktivierung der Mikroorganismen mittels photokatalytischer und biochemischer/-physikalischer Effekte an den Oberflächen von additiven Filterkomponenten

Dies ermöglicht eine optimale Filterfunktion, was zu einer verbesserten Qualität des Permeats führt.
Vorteilhaft ist, wenn die Strahlung im Wellenlängenbereich von 185 bis 280 nm UVC-Strahlung und/oder 940/950 nm IR-Strahlung liegt. Dies ermöglicht eine UVC basierte Inaktivierung von Mikroorganismen und die biophotonischen Filtervorrichtung kann über IR basierter Aufheizung der Quarzkugeln sterilisiert werden, indem noch nicht inaktivierte Mikroorganismen so thermisch inaktiviert werden.
Nach einem bevorzugten Aspekt umfasst die Filterfüllung Quarzkugeln, welche eine Lichtleitung bewirken. Dadurch kann das eingekoppelte Licht durch die gesamte Filterfüllung hindurch weitergeleitet werden und somit eine Inaktivierung der Mikroorganismen über die gesamte innere Oberfläche erfolgen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Filterung besonders effektiv erfolgt wenn die erfindungsgemäße Filterfüllung photokatalytische Partikel oder durch Wasseroxidation wirksame Partikel umfasst, welche eine Inaktivierung von Mikroorganismen bewirken. Dies stellt eine kontrollierte Inaktivierung von Mikroorganismen sicher.
Die Filterfüllung kann aus Partikeln aus mindestens einem Material, ausgewählt aus der Gruppe von Materialien der Basaltvariationen, wolframhaltigen Materialien, wolframcarbidhaltigen Materialien und kupferhaltigen Materialien, gewonnen werden.
Vorteilhafterweise enthält die Filterfüllung Cu-haltige Kugeln, Cu-haltige Werkstoffe einzeln oder in hybrider Anordnung, welche eine Inaktivierung von Mikroorganismen bewirken. Dies sichert eine besonders hohe Qualität des Filtrats durch die Inaktivierung aller Keime und Bakterien.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Filterpartikel mittels eines Verfahrens zur Herstellung von mineralischen Partikeln zur Verwendung in einer biophotonischen Filtervorrichtung erzeugt werden.
Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Erzeugen einer Plasmaflamme (S1);
- Einbringen einer mineralogischen Pulvermaterials einer vorbestimmten Partikelgröße in die Plasmaflamme derart, dass das Pulvermaterial aufschmilzt (S2);
- Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts (S5);
- Auffangen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials in einem Wassertank (S6)

Im Ergebnis entsteht ein hybrider, extrem offenporiger Partikel aus mineralischen Komponenten, welcher neben einer antimikrobiellen (bspw. bakteriziden und/oder viruziden) Wirkung einen hochgradig erstarrten Anteil an der Partikeloberfläche sowie einen höheren SiO₂ -Anteil an der Oberfläche der Poren aufweist.
Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt umfasst der Schritt Einbringen eines mineralogischen Pulvermaterials, die Änderung des Abstands zwischen Pulvermaterial und Lichtbogen der Plasmaflamme. Dadurch können die Partikeleigenschaften in Hinblick auf Haftungsverbund, offene und geschlossene Porosität, kristalline Gitterstruktur, morphologischen Aufbau und die diversen mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften eingestellt werden.
Vorteilhafterweise umfasst der Schritt Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit das Einstellen der Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts. Dies stellt eine definierte Erstarrung sicher und gewährleistet die Bildung großer offener Poren.
Erfindungsgemäß wird der so erzeugte Partikel in die Filterfüllung der biophotonischen Filtervorrichtung eingebracht. Dadurch können die erzeugten Partikel zu Keiminaktivierung genutzt werden.
Vorteilhafterweise werden eine erste Oberfläche des mineralischen Partikels und eine zweite Oberfläche an Poren ausgebildet. So können an den unterschiedlichen Oberflächen verschiedene Effekte ausgenutzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen biophotonischen Filtervorrichtung, mit einer oberhalb der Filterfüllung angeordneten Strahlungsquelle;
2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen biophotonischen Filtervorrichtung, mit einer unterhalb der Filterfüllung angeordneten Strahlungsquelle;
3a eine lose gestapelte und leicht aneinander gesinterte Filterfüllung aus UVC-transmissiven, zylindrischen Quarzpartikeln zum Einsetzen in eine stehende, poröse, keramische Filtervorrichtung mit photokatalytischer Titanoxid-Filterschicht innen und eine durch Zugabe von Titanoxidkugel hybridisierte Filterfüllung in einer stehenden, porösen, keramischen Filtervorrichtung mit photokatalytischer Titanoxid-Filterschicht innen;
3b eine lose gestapelte und leicht aneinander gesinterte Filterfüllung aus UVC-transmissiven, zylindrischen Quarzpartikeln mit aufgeschmolzenen Hartmetall- und Mineralstoffpartikeln zum Einsetzen in eine stehende, poröse, keramische Filtervorrichtung mit photokatalytischer Titanoxid-Filterschicht innen;
4 eine schematische Draufsicht auf eine biophotonische Filtervorrichtung aufgebaut aus vier nebeneinander angeordneten Filterrohrsegementen;
5 eine schematische Seitenansicht einer Filtervorrichtung ohne Filterfüllung;
6 eine schematische Seitenansicht einer Filtervorrichtung mit Filterfüllung;
7a ein vertikal stehendes keramisches Filterrohrsegment mit einem Porengradient von innen nach außen;
7b ein vertikal stehendes, poröses, keramisches Trägerrohrsegment mit photokatalytischer Titanoxid-Filterschicht innen;
7c ein vertikal stehendes, poröses, keramisches Trägerrohrsegment mit photokatalytischer Titanoxid-Filterschicht außen;
8 eine Draufsicht auf ein vertikal stehendes keramisches Filterrohrsegment mit Gradient von innen nach außen;
9a eine schematische Draufsicht auf ein keramisches Filterrohrsegment;
9b eine Seitenansicht eines keramischen Filterrohrsegmentes mit einer Luftstromeintrittsfläche;
10 eine schematische Darstellung Größenverhältnisse innerhalb der funktionalen Filterfüllung;
11a eine Darstellung der Filterfüllung aus lose gestapelten, transmissiven, Quarzpartikelmit an der Oberfläche photokatalytisch wirkenden Titanoxid-Kugeln;
11b eine Darstellung der Filterfüllung aus leicht aneinander gesinterten, transmissiven, Quarzpartikeln mit an der Oberfläche photokatalytisch wirkenden Titanoxid-Kugeln;
12a eine Darstellung der Filterfüllung aus lose gestapelten, transmissiven, Quarz- bzw. Feldspatkugeln;
12b eine Darstellung der Filterfüllung aus leicht aneinander gesinterten, transmissiven, Quarz- bzw. Feldspatkugeln;
13a eine erfindungsgemäße biophotonische Filtervorrichtung, mit einem UVC- bzw. IR LED als Strahlungsquelle;
13b eine erfindungsgemäße biophotonische Filtervorrichtung, mit einem UVC- bzw. IR LED als Strahlungsquelle gegenüberliegenden Ende des Lichtleiters;
14a ein Diagramm zur Darstellung der Virusreduktion mittels Wolframkarbidmaterialien;
14b eine Darstellung der Filterfüllung aus lose gestapelten, transmissive Quarzpartikel mit aufgeschmolzenen Hartmetall- und Mineralstoffpartikeln;
14c eine Darstellung der Filterfüllung aus leicht aneinander gesinterten, transmissiven, Quarzpartikel mit aufgeschmolzenen Hartmetall- und Mineralstoffpartikeln;
15 die Veränderungen durch den Sinterprozess in a) einem Monokorn, b) einem benetzt hybriden Korn und c) einem separaten Dualkorn;
16 in der oberen Darstellung ein Aufschmelz- und Oberflächengestaltungsverfahren zur Partikelfusionierung und in der darunterliegenden Darstellung den jeweiligen Zustand des Partikels aus mineralischen und Hartmetallkomponenten;
17 eine Tabelle, welche die Wirksamkeit zur Keimreduktion auf einer planaren Mineralstoffoberfläche zeigt;
18 eine biophotonische Filtervorrichtung mit einer Substratschicht, Filtermembranzwischenschichten und einer Filtermembranschicht;
19 Filtermembranvorrichtung mit einer Pumpe;
20 zeigt eine biphotonische Filtervorrichtung 1 in Form eines Filterrohrsegmentes 2 mit einer sternförmigen Anordnung aus insgesamt acht Strahlungsquellen 4 zur Einkopplung von Strahlung in die Filterfüllung 6; und
21 Aufbau zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung von mineralischen Partikeln 6 zur Verwendung in einer biophotonischen Filtervorrichtung 1.

In 1 ist eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen biophotonischen Filtervorrichtung 1, mit einer oberhalb der Filterfüllung 3 angeordneten Strahlungsquelle 4 gezeigt. Die biophotonische Filtervorrichtung 1 dient der Inaktivierung von Mikroorganismen in einem Filtrat. Die biophotonische Filtervorrichtung 1 umfasst eine Filterfläche 5 zum Durchtritt eines Filtrats als Permeat. Die Filterfüllung 3 wird von einem Filtrat umströmt. Außerdem umfasst die biophotonische Filtervorrichtung 1 wenigstens eine Strahlungsquelle 4 zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung. Die Filterfüllung 3 besteht aus Filterpartikeln 6, geeignet zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung. Zwischen den Filterpartikeln 6 sind durch Photokatalyse wirksame oder durch Wasseroxidation wirksame, keiminaktivierende Partikel 12 angeordnet. Die stoffliche Basis der keiminaktivierenden Partikel 12 ist mindestens ein Material ausgewählt aus der Gruppe von wolframhaltigen Materialien, wolframcarbidhaltigen Materialien, Materialien der Basaltvariationen und kupferhaltigen Materialien.Die Einkopplung elektromagnetischer Strahlung kann sowohl oberhalb wie unterhalb des Kugelfilterblocks erfolgen. Bei der UVC basierten Inaktivierung erfolgt dies mit leistungsfähigen und zugleich kosten- und energiegünstigen UVC-LED's [45mW].
Die biophotonisch keimreduzierende UVC Strahlung wird in das UVC lichtleitende und verteilende Kugelfilter eingekoppelt. Dabei werden innenliegende photokatalytische Rohrsegmentfilter aus Titanoxid, sowie in die Kugelpackung integrierte zusätzliche Titanoxidkugeln funktional als keimreduzierend aktiviert.
Weiterhin ist in 1 ein Filterrohrsegment 2 der erfindungsgemäßen biophotonischen Filtervorrichtung 1 gezeigt, die eine potenziell beschichtbare Filterrohrinnenwand 8 und eine Filterrohraußenwand 9 besitzt.
Eine reine keramische Filterrohranwendung kann mit einem biophotonische Inaktivierung-Verfahren und entsprechenden Anordnungen funktional erweitert werden.
Die biophonischen Inaktivierungsverfahren bedürfen in erster Linie einen transmissiv für 185 bis 280 nm UVC- wie auch 940/950 nm IR-Strahlung hochtransmissiven Lichterleiter z.B. in Gestalt von miteinander unversinterten bzw. angesinterten Quarzkugeln mit einem Durchmesser von vorzugsweise > 0,185 mm.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Filterfüllung 3 unmittelbar angrenzend zur Filterfläche 5 angeordnet ist.
2 zeigt eine unterhalb der Filterfüllung 3 angeordnete Strahlungsquelle 4. Beispielsweise emittiert die Strahlungsquelle 4 Strahlung im Wellenlängenbereich von 185 bis 280 nm UVC-Strahlung. Denkbar ist auch, dass die Strahlungsquelle 4 die transmissiven Quarzkugeln thermisch aufheizende IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 940/950 nm emittiert und diese Strahlung in die Filterfüllung 3 eingekoppelt wird.
In 3a ist zu sehen, dass zwischen den Quarzpartikel 7 photokatalytische Kugeln 12 angeordnet sind. Die Quarzpartikel 7 sind derart aneinander gesintert, dass zwischen den einzelnen Quarzpartikel 7 ein Sinterhals 11 entsteht. Beispielsweise können die photokatalytischen Kugeln 12 der Filterfüllung 3 Titanoxidkugeln sein. Alternativ oder additiv können die Filterpartikel eine Beschichtung aus Titanoxid aufweisen (nicht dargestellt). 3a besteht aus zwei Varianten: Die lichtleitenden (elektromagnetische Strahlung) Quarzkugeln grenzen an eine photokatalytisch aktivierbare Titanoxidinnenrohrbeschichtung 10 (Bild mittig). Rechts wird die photokatalytische Wirkung auch auf das Innere der Kugelpackung über aktivierte Titanoxidkugeln erweitert.
Derzeit stehen drei für sich allein wirksame Filtersysteme in Gestalt eines Filterrohrs (mittlere Porengröße < 75 nm als Virenuntergröße) sowie als additive Innen- oder Aussenrohrbeschichtung sowie in Gestalt von schütt- und ansinterbaren Titanoxid-, Basaltoxyd-, Wolfram/Wolframkarbid und oder Cu-haltigen Kugelpackung zur Verfügung.
3b zeigt eine hybride Anordnung einer biophotonischen Anregung mit photokatalytischer Anregung zur Inaktivierung von Mikroorganismen mit UVC-Strahlung. Es sind biophotonisch wirksame Basaltoxyde und Woldfram/Wolframkarbid / Cu-haltige Partikel möglich.
Denkbar ist dazu eine hybride Anordnung einer biophotonischen Anregung der transmissiven Lichtleiterkugeln mit in den Zwischenräumen platzierten WC haltigen und/oder Mineralstoff-Partikeln wahlweise ohne oder mit zusätzlich photokatalytisch wirkenden Rohrinnenwandfilter aus Titanoxid und einer Porenverteilung <75 nm.
Die photokatalytischen Kugeln 12 der Filterfüllung 3 in 3b sind beispielsweise aufgeschmolzene Hartmetall- und Mineralstoffpartikel insbesondere Wolframkarbidkugeln.
Das Risiko besteht dabei in der fertigungstechnischen Konfektionierung der vertikal stehenden Filterrohrsegmente und der variablen Befüllung mit zusätzlichen keiminaktivierenden Bestandteilen und deren fertigungsspezifischen Einzel- und Gesamtfügungen.
Risikominimierend im Anwendungsfall ist der sukzessive, kaskadierende Filterwand- und -kugelaufbau und deren Versinterung zu austauschbaren Filterbrackets für Parametertests und Filter-Austausch/-Wechsel.
Einen Zusatznutzen im Sinne einer Hybridverfahrensanordnung stellt der nachfolgend dargestellte komplexe Effekt einer angewandten Nutzung von Natureffekten in der beobachtbaren Wechselwirkung geologisch-mineralogischen sowie antimikrobiellen Wirkzusammenhängen von Degradationsprozessen.
Mineralische Partikel vulkanischen Ursprungs z. B. Basalt, welche durch definierte Gesteinsaufmahlung bzw. thermisches Aufschmelzen und Wiedererstarren definiert entstehen können und modifizierte Materialien der Basaltvariationen genannt werden, können in gasförmigen relativ feuchten Filterumgebungen ebenfalls zusätzlich CO₂ binden. Das so gebundene CO₂ in den Poren sorgt als H₂CO₃ zugleich über den Carbonat-Silikat-Zyklus, bei der natürlichen Degradation für ein topisch begrenztes antimikrobiell wirksames Wirkstoffhabitat. Gemeinsam mit den inkludierten Wolframhaltigen Materialien (z.B. WC) mit der photo- und elektrokatalytischen Wasseroxidation entsteht so eine natürliche wie auch neuartige keimreduzierende Funktionalität mit einer zusätzlichen Freisetzung von Kalium oder K-Ionen und Hydrogencarbonat-Ionen.
4 zeigt eine Draufsicht von vier nebeneinander angeordneten Filtervorrohrsegmenten 2, die zu einer erfindungsgemäßen biophotonischen Filtervorrichtung 1 zusammengefügt sind.
5 zeigt eine Filtervorrichtung ohne Filterfüllung.
6 zeigt eine Filtervorrichtung mit Filterfüllung.
Angestrebt werden modulare, kaskadierbare und kombinierbare Module, die in bestehende technische Systeme mit geringen Integrationsraum einbaubar sind. Diese modularen funktionalen Filtermembranen dienen der Inaktivierung von Mikroorganismen.
Vorteilhaft sind dafür gleichmäßige, erweiter- und kombinierbare Module und Technologien, basierend auf Porenfilterung, photokatalytische und/oder biophotonische, biochemische und kationische Inaktivierung von pathogenen Mikroorganismen.
Maximal kombinierbare Rasterfiltermodule auf keramischer Basis mit in der Regel 20mm hohen und mit 20mm Innendurchmesser großen keramischen Rohrfiltersegmenten 2 mit einer Filterung von der Innenseite 8 zur Außenseite 9 der Rohre.

a. Diese können ohne oder vertikal mit speziellen Kugelfiltern befüllt werden.
b. Diese können planar beliebig nebeneinander kombiniert werden, wobei pro Rohrsegment die nach oben erweiterte Lufteinstromfläche immer kleiner gleich der filtrierenden Mantelfilterfläche ist.
c. Die Rohrsegmente sind dabei zugleich Filterflächen und Stützelemente.

7a zeigt ein vertikal stehendes keramisches Filterrohrsegment 2 mit einem Gradient von innen nach außen.
7b zeigt ein vertikal stehendes, poröses, keramisches Trägerrohrsegment 2 mit photokatalytischer Titanoxid-Filterschicht 10 innen.
7c zeigt ein vertikal stehendes, poröses, keramisches Trägerrohrsegment 2 mit photokatalytischer Titanoxid-Filterschicht 10 außen.
8 zeigt eine Draufsicht auf ein vertikal stehendes keramisches Filterrohrsegment 2 mit Porengradient von innen nach außen, d.h. ohne additive Filterbeschichtung
Die keramischen Filterrohrsegmente 2 können unterschiedlich im Rohrfilterprinzip ausgelegt sein, d.h. mit einem integrierten Filtergradienten und/oder mit auf der Innenwie Außenseite der Rohrsegmente angeschlickerten und danach angesinterten Filterschichten, z.B. mit photokatalytischen Eigenschaften.
In 9a ist eine schematische Draufsicht auf ein keramisches Filterrohrsegment 2 gezeigt.
In 9b ist eine Seitenansicht eines keramischen Filterrohrsegmentes 2 mit einer Luftstromeintrittsfläche A und einer Höhe H gezeigt. Die Höhe beträgt im gezeigten Beispiel 30mm. Die Höhe H des Filterrohrsegmentes kann auch größer sein beispielsweise bis zu 150mm.
Mit der Verlängerung des Filterrohres kann also die Filterfläche beliebig vergrößert werden, was das Risiko der Verkleinerung der Filterfläche und des Luftstroms durch funktionale Kugelfilterbeladungen senken kann.
Die Mindestfilterflächenverteilung des keramischen Filterrohrsegments 2 auf die Fläche A des Gesamtluftstromeintrittes kann wie folgend an einem Beispiel beschrieben werden:
A= 35*35mm=12,25 mm² (Luftstromeintrittsfläche)
Rohrhöhe ≥ 30 mm
Innendurchmesser 20mm
Außendurchmesser= 26mm
Wanddicke= 3mm
Mantelfläche Rohrinnenseite 12,57mm²
Mantelfläche Rohraußenseite 16,34mm²
10 zeigt die Größenverhältnisse innerhalb der funktionalen Filterfüllung 3. Die Quarzpartikel 7 sind unversintert, lose gestapelt. Beispielsweise haben die aufgeschmolzenen Quarzpartikel 7 einen Durchmesser von 185µm.
Die Quarzpartikel 7 als Lichtleiter und -verteiler bilden die Basis der funktionalen biophotonisch Inaktivierungsfiltereinsätze. Der mittlere Durchmesser der aktiven Quarzpartikel 7 sollte im Bereich von 0,01 bis 0,3 ...0,5 der Lichtleiter sein.
In den Zwischenräumen können weitere photokatalytisch und damit keiminaktivierende Kugeln 12, wie beispielsweise Titanoxidkugeln mit einem Durchmesser von 75 µm, Mineralkugeln mit einem Durchmesser von 60 µm und Hartmetallkugeln mit einem Durchmesser von 40 µm als Funktionserweiterung integriert werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Aus den Größen der Quarzpartikel 7 und photokatalytisch und damit keiminaktivierende Kugeln 12 ergeben sich die Strömungs- und Packungsverhältnisse in der Filterfüllung 3.
Die Größenverteilung innerhalb der funktionalen biophotonischen Kugelfilter können zur Senkung des Projektrisikos variiert werden.
11a zeigt eine Filterfüllung 3 aus lose gestapelten, transmissiv lichtleitenden Kugeln 7 sowie mit in den Zwischenräumen additiv angeordneten, an der Oberfläche photokatalytisch wirkenden Titanoxid-Kugeln 12.
11b zeigt eine Darstellung der Filterfüllung 3 aus leicht aneinander gesinterten, transmissiven, Quarzpartikeln 7 mit an der Oberfläche bzw. in den Zwischenräumen platzierten bzw. angesinterten, photokatalytisch wirkenden Titanoxid-Kugeln 12.
Die integrierten, photokatalytisch wirkenden Titanoxidkugeln 12 können die ebenfalls aus Titanoxid bestehenden Filterschichten an der Filterrohrinnen- 8 wie auch Außenwand 9 den Wirkungsgrad von biophotonisch mit UVC aktivierten Inaktivierungsverfahren verstärken. Die Lichtleitung bzw. UVC-Transmission wird über die Sinterhälse 11 zwischen den Quarzpartikeln 7 (ca. 0,060 - 0,080 mm Durchmesser) optimal und verlustarm gewährleistet und an die Kugeloberflächen geleitet, wo das UVC seine keimabtötende Funktion im direkt an der transmissiven Oberfläche sehr nah vorbeiströmenden Filtrat (Aerosole, Gase, Flüssigkeiten) erfüllen kann. Damit wird die mit 1/D^2/3 abnehmende Intensität=Effizienz der keiminaktivierenden UVC-Strahlung optimal genutzt.
In 12a ist eine Filterfüllung 3 aus lose gestapelten, transmissiven, Quarz- bzw. Feldspatkugeln 7 dargestellt.
In 12b ist eine Filterfüllung 3 aus leicht aneinander gesinterten, transmissiven, Quarz- bzw. Feldspatkugeln 7 dargestellt.
13a zeigt eine erfindungsgemäße biophotonische Filtervorrichtung 1, mit einer UVC- bzw. IR LED 13 als Strahlungsquelle 4. Denkbar ist auch, dass die UVC- bzw. IR LED's 13 innerhalb der Filterfüllung 3 angeordnet ist. Die UVC- bzw. IR LED's 13 dienen als Quelle der eingekoppelten Lichttransmission.
13b zeigt eine erfindungsgemäße biophotonische Filtervorrichtung 1, mit UVC- bzw. IR LED's 13 an dem der Strahlungsquelle 4 gegenüberliegenden Ende des Lichtleiters. Denkbar ist auch einen Temperaturfühler innerhalb der Filterfüllung 3 oder an einem oder beiden Enden der Filterfüllung 3 anzuordnen, um für die Validierung der thermischen Inaktivierung der Mikroorganismen die Temperatur zu messen.
Die Lichttransmission/-leitung kann mittels zusätzlicher, in der Figur nicht bezeichneter UVC- bzw. IR-Spektrometer an der Strahlungsquelle 4, innerhalb und an den Enden des Lichtleiters gemessen werden. Sie sollte bei in der Regel > 60 % liegen. Temperaturfühler können zur Validierung der thermischen Inaktivierung eingesetzt werden und sollten über 10 Minuten eine Temperatur > 110 °C messen.
Wird eine oberhalb der Kugelpackung applizierte UVC Strahlung bei Betriebsende oder während einer Betriebspause mit einer unterhalb der Kugelpackung applizierten IR LED Strahlung mit ca. 940 bis 950 nm kombiniert, so kann der Kugelfilterblock inklusive der Rohrfiltersegmente auf bis zu 125 °C erhitzt bzw. damit sterilisiert und eventuell noch überlebende sprich nichtinaktivierte Mikroorganismen thermisch inaktiviert werden [125°C, 1000 - 1500 mA, max. 5000 mA, 1 - 5 V, 940nm].
Neben der bakteriellen Herausforderung durch multiresistente Keime steht die viruzide Wirkung von dualen Filtersystemen im Fokus. Das IKTS entwickelte im Rahmen des EFRE-TNA AVIRO Projektes ab 2014 verschiedene biologisch wirksame Silicium- und W-basierte Materialien. Besonders erfolgreiche Varianten mit einem VRF (Virusreduktionsfaktor) ≥ 4 stellten die Wolframhaltigen Materialien mit den photochemischen und elektrokatalytischen Wasseroxidationen dar. Liegt der VRF (Virusreduktionsfaktor) bei 5 Minuten Oberflächenkontakt im Medium bereits bei 4 oder darüber, wird von einer signifikanten Virusreduktion gesprochen. Besonders positiv sind die Testergebnisse bei höheren Wirkzeiträumen, da sie nicht einen extrem höheren VRF zeigen. (Quelle: Untersuchung der viruziden Eigenschaften von Feststoffpartikeln in Suspension gegenüber verschiedenen Modellviren Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor medicinae (Dr. med.) vorgelegt dem Rat der medizinischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena von Frederik Pfaff, 2015, Seite 50).
Die entscheidende Virusreduktion erfolgt demnach beim ersten Kontakt mit der Oberfläche. Die Testergebnisse mit Modellviren eröffnen für eine aerosolbezogene Kontamination in einer Kugelfilteranordnung von Wolframkarbidkugeln eine realistische Anwendungsoption für eine viruzide Wirkung.
14a zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Virusreduktion u.a. auch mittels Wolframhaltigen Materialien, insbesondere auch WC-haltigen Werkstoffen. Damit konnte die Virusreduktion mittels der o.g. Materialien nachgewiesen werden.
Aufgrund der hohen Dichte von Wolframcarbid, sind nur relativ geringe Kugellagen mit geringen Kugeldurchmessern möglich. Um eine maximale Umströmung der Oberfläche zu ermöglichen, sollten sie zwischen sehr viel leichteren und im Durchmesser größeren Füllkugel, wie z.B. Quarzpartikel platziert werden.
In 14b ist eine Filterfüllung 3 aus lose gestapelten, transmissiven, Quarzpartikeln7 mit aufgeschmolzenen Hartmetall- und Mineralstoffpartikeln 14 dargestellt.
In 14c ist eine Filterfüllung 3 aus leicht aneinander gesinterten, transmissiven, Quarzpartikeln 7 mit aufgeschmolzenen Hartmetall- und Mineralstoffpartikeln 14 dargestellt.
15 zeigt die Veränderungen durch den Sinterprozess in a) einem Monokorn, b) einem benetzt hybriden Korn und c) einem separaten Dualkorn.
Zur Partikelfusionierung steht ein spezielles Aufschmelz- und Oberflächengestaltungsverfahren zur Verfügung, welches in 16. in der oberen Darstellung gezeigt ist und in der darunterliegenden Darstellung den jeweiligen Zustand des Partikels aus mineralischen und Hartmetallkomponenten. Im Ergebnis entsteht ein hybrider, extrem, offenporiger Partikel aus mineralischen und Hartmetallkomponenten.
Neben den oben genannten und experimentell bestätigten antimikrobiellen Wirkungen erzeugt die spezielle Aufschmelzung und Erstarrung noch einen weiteren Vorteil der offenen Porosität mit hohen SiO₂-anteilen an der Oberfläche der Poren. Wie in 16 gezeigt, werden zwei Oberflächen ausgebildet. Eine erste Oberfläche des Partikels an sich und eine zweite Oberfläche der Poren. Die erste Oberfläche des Partikels liegt außen am Partikel und ist glasig erstarrt. Die zweite Oberfläche wird durch die Oberflächen der Poren gebildet.
Eine weitere biophysikalisch keimreduzierende Materialmodifikation inkl. Oberflächendesign kann in Gestalt von Multimaterial-Kugelfiltern sowie offenporösen gesinterten Multimaterial- Brackets oder Beschichtungen realisiert werden. Dabei kommen neben den o.g. Neuartigkeit völlig neuartige Materialveredelungen zum Einsatz.
In bisher nicht veröffentlichten Vorversuchen mit dem vom IKTS Hermsdorf definiert plasmathermisch neu aufgeschmolzenen Basaltoxidpartikeln konnte bei MRSA-Erregern (Methicillinresistenter Staphylococcus aureus) eine signifikante Keimreduktion auf einer planaren Mineralstoffoberfläche beobachtet werden. (siehe 17)
17 zeigt eine Tabelle, aus welcher die Wirksamkeit zur Keimreduktion auf einer planaren Mineralstoffoberfläche hervorgeht.
Quelle: Fraunhoferinterne Voruntersuchung des IKTS und IZI 2018/19 sowie unveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2020 128 494 vom 29.10.2020
Dieser Effekt ist über die erfindungsgemäße Kugelschüttung bzw. offenporiger Versinterung um ein Vielfaches steigerungsfähig.
MRSA-Erreger (Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus) wurden auf einer thermisch gespritzten Mineraloberfläche im Medium fixiert und 24 h inkubiert. Während auf der neutralen Glasoberfläche ohne Beschichtung bei den Platten 1-3 mit Beschichtung nur 22 bis 28 koloniebildende Einheiten entstanden, zeigten die nichtbeschichteten Kontrollflächen das Zehnfache und mehr an MRSA-Wachstum. Die Beschichtung erwies sich als äußerst bakterizid insbesondere gegenüber multiresistenten Keimen.
18 zeigt eine biophotonische Filtervorrichtung 1, welche als Filtermembran-Doppelanordnung mit dazwischenliegenden Filterpartikeln 6 ausgestaltet ist. Die Filtermembran-Doppelanordnung umfasst eine Substratschicht 31 und daran angrenzend angeordnet eine Filtermembranzwischenschicht 30.
Über die Strahlungsquelle 4 wird über eine definierte Zeitdauer und mit definiert einstellbarer Intensität dosierte Strahlung eingekoppelt. Dafür werden UVC- oder 450 nm transmissive Substrate als Filterpartikel 6 verwendet.
Am oberen Rand befindet sich eine Filtermembranschicht 32. Die Anordnung der Substratschicht 31 und daran angrenzend angeordneten Filtermembranzwischenschichten 30 kann jeweils von den Filterpartikeln 6 beginnend zum Rand oder genau umgekehrt erfolgen. Mehrere optische Zonen mit unterschiedlichen Wellenlängen sowie Filterzonen mit unterschiedlichen Retentatgrößen können sich ebenfalls abwechseln.
Die Filterpartikel 6 können beispielsweise als transmissiv (beschichteter) Schaum oder als transmissiv (beschichteter) Gefrierschaum ausgestaltet sein. Die Strahlungsquelle 4 koppelt die Strahlung dann in diesen transmissiv (beschichteten) Schaum oder transmissiv (beschichteten) Gefrierschaum ein.
Auf der Filtermembranschicht oben 32 können z.B. Mikroorganismen einer Größe von > 400 nm bei Trockenfiltration separiert und abgeschieden werden. Sie können dort biologisch lebend entnommen werden. Ebenso können z.B. Bakterien als Retentat direkt auf der Oberfläche lysiert und abgezogen /abpipettiert werden. Das Permeat kann zur Inaktivierung biologischer Mikroorganismen <400 nm durch optisch aktivierbare Filterpartikel 6 mit einer Strahlungsquelle 4 mit Einkopplung in eine Transmissionszone einem transmissiven Substrat mit an der Oberfläche eingebetteten keramisch stabilisierten Leuchtpartikeln geleitet werden. Die optisch aktivierbaren Filterpartikel 6 kann bspw. als Kugelpackung oder Polymerschaum oder Gefrierschaum oder ähnlichen Spacern ausgebildet sein. Die Ausdehnung und Porengröße der aktivierbaren Filterpartikel 6 ist gleich der Verweildauer gleich der Expositionsdauer gleich der Dosis der erzeugten up conversion Strahlung. Neben der Erzeugung antimikrobieller Wirkungen in dieser Zone kann diese Anordnung auch für photokatalytische Prozesse bei der Filtration, Separation, Probenaufbereitung, Differenzierung und Diagnostik benutzt werden.
19 zeigt eine Filtermembranvorrichtung mit einer Pumpe 34. Mittels der Pumpe kann ein Substrat zur Inaktivierung von Mikroorganismen in die Filtermembranvorrichtung eingeleitet werden, welches die Substratschicht 31, die Filtermembranzwischenschicht 30 und die Filtermembranschicht 32 durchströmt.
20 zeigt eine biphotonische Filtervorrichtung 1 in Form eines Filterrohrsegmentes 2 mit einer sternförmigen Anordnung aus insgesamt 8 Strahlungsquellen 4 zur Einkopplung von Strahlung in die Filterfüllung 3.
Das Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln 6 zur Verwendung in einer biophotonischen Filtervorrichtung 1 soll am Aufbau gemäß 21 illustriert werden.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln 6 zur Verwendung in einer biophotonischen Filtervorrichtung 1 umfasst die Schritte:

- Erzeugen einer Plasmaflamme S1;
- Einbringen eines mineralogischen Pulvermaterials einer vorbestimmten Partikelgröße in die Plasmaflamme derart, dass das Pulvermaterial aufschmilzt S2;
- Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit S5;
- Auffangen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials in einem Wassertank (S6)

Das Einbringen kann aus einer horizontalen Richtung (wie dargestellt) oder einer vertikalen Richtung erfolgen. Das mineralogische Pulvermaterial kann auf Vulkangestein basieren.
Aufgrund des Aufschmelzens (Oberflächenverdampfung) und des definierten (sehr extremen) Abkühlens und Erstarrens entsteht ein mineralischer Partikel 6 mit der vorteilhaften offenen Porosität.
Im Schritt Einbringen eines mineralogischen Pulvermaterials, kann die Änderung des Abstands zwischen pulvermaterial und Lichtbogen der Plasmaflamme beinhalten.
Der Schritt Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit kann das Einstellen der Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts umfassen.
Das Verfahren kann ergänzt werden, indem die mineralischen Partikel 6 zu Partikelclustern geformt werden. Zum Beispiel kann in einem Schritt das Sintern erfolgen, wobei die Partikel mit und ohne Wirkstoff räumlich aneinander angeordnet werden.
Größere poröse Strukturen können ebenso erzeugt werden, indem die individuellen aufgeschmolzenen mineralischen Partikel 6 auf ein Substrat abgeschieden (geschossen) werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015102427 [0015]
DE 102020128494 [0099]

Claims

Biophotonische Filtervorrichtung (1) zur Inaktivierung von Mikroorganismen in einem Filtrat umfassend eine Filterfläche (5) zum Durchtritt eines Filtrats, eine von einem Filtrat umströmte Filterfüllung (3) und wenigstens eine Strahlungsquelle (4) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, wobei die Filterfüllung (3) Filterpartikel (6) zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei zwischen den Filterpartikeln (6) durch Photokatalyse wirksame oder durch Wasseroxidation wirksame keiminaktivierende Partikel (12) aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe von wolframhaltigen Materialien, wolframcarbidhaltigen Materialien, Materialien der Basaltvariationen und kupferhaltigen Materialien, angeordnet sind.
Biophotonische Filtervorrichtung (1), wobei die Filterpartikel (6), aus einem Stoff bestehen, der für die genutzte Strahlung eine hohe Transmission als Lichtleiter anwendungsspezifisch vorteilhaften Wellenlängenbereich aufweist.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Transmission im anwendungsspezifisch vorteilhaften Wellenlängenbereich > 25 % vorteilhafter Weise > 50% noch vorteilhafter Weise > 70 bzw. 90% beträgt.
Biophotonische Filtervorrichtung (1), wobei die Filterpartikel (6), Quarz und/oder Quarzglas oder aus Mischungen mit anderen SiO₂ Modifikationen; oder/und ZrO₂; Spinell, Y-Al-Granat, Zinkselenid (ZnSe), Kalziumfluorid (CaF₂), Lithiumfluorid (LiF) und Magnesiumfluorid (MgF₂) oder optische Gläser mit entsprechender UV Transmission einzeln oder in Kombination umfassen.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterpartikel (6) lose gestapelt in der Filterfüllung (3) angeordnet sind und/oder derart aneinander gesintert sind, dass zwischen den einzelnen Filterpartikeln (6) ein Sinterhals (11) entsteht.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis 4, wobei zwischen den Filterpartikeln (6) keiminaktivierende, vorteilhaft photokatalytische Partikel (12) angeordnet sind oder die Filterpartikeln (6) eine zumindest partielle photokatalytische Beschichtung haben.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die photokatalytischen Partikel (12) Titanoxidkugeln sind.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Partikel (12) der Filterfüllung (3) neben den lichtleitenden Partikeln, Materialien der Basaltvariationen sowie Wolfram- oder Wolframkarbidhaltige Partikel, Cu-haltige Kugeln, Cu-haltige Werkstoffe einzeln oder in hybrider Anordnung umfassen.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterfüllung (3) unmittelbar angrenzend zur Filterfläche (5) angeordnet ist.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der Gestalt eines Filterrohrsegmentes (2), umfassend eine Filterrohrinnenwand (8) und eine Filterrohraußenwand (9), wobei die Filterrohrinnenwand (8) und/oder die Filterrohraußenwand (9) eine photokatalytisch wirkende Filterschicht (10) aus Titanoxidpartikeln umfasst.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Oberfläche der Filterfüllung (3) zum Lufteintritt in die Filtervorrichtung (1) kleiner gleich der Oberfläche der Filterrohrinnenwand (8) ist.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterrohrsegment eine Höhe (H) von 30 - 40 mm, einen Innendurchmesser von 20mm, einen Außendurchmesser von 26mm und eine Wanddicke von 3mm aufweist.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Filterrohrsegmente (2) unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind.
Biophotonische Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (4) eine oberhalb und/oder unterhalb und/oder innerhalb der Filterfüllung (3) angeordnete UVC-LED ist.
Filterverfahren zur Inaktivierung von Mikroorganismen umfasst die nachfolgenden Schritte: a. Bereitstellen einer biophotonischen Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche b. Durchströmen eines Filtrats durch die Filtervorrichtung (1) c. Akkumulation von Mikroorganismen an der Oberfläche der Filterfüllung (3) und an der Filterrohrwand d. Inaktivierung der Mikroorganismen mittels einer elektromagnetischen Strahlung. e. Inaktivierung der Mikroorganismen mittels photokatalytischer und biochemischer/-physikalischer Effekte an und oder in der Oberfläche von additiven Filterpartikel
Filterverfahren nach Anspruch 15, wobei die Strahlung im Wellenlängenbereich von 185 bis 280 nm UVC-Strahlung und/oder 940/950 nm IR-Strahlung liegt.
Filterverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterfüllung (3) Quarzpartikel (7) umfasst, welche eine Lichtleitung bewirken.
Filterverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterfüllung (3) photokatalytische Partikel (12) umfasst, welche eine Inaktivierung von Mikroorganismen bewirken.
Filterverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterfüllung (3) additiv Materialien der Basaltvariationen sowie Wolfram- oder Wolframkarbidhaltige Partikel, Cu-haltige Kugeln, Cu-haltige Werkstoffe einzeln oder in hybrider Anordnung umfasst, welche eine Inaktivierung von Mikroorganismen bewirken.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln (6) zur Verwendung in einer biophotonischen Filtervorrichtung (1) umfassend die Schritte: - Erzeugen einer Plasmaflamme (S1); - Einbringen einer mineralogischen Pulvermaterials einer vorbestimmten Partikelgröße in die Plasmaflamme derart, dass das Pulvermaterial aufschmilzt (S2); - Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts (S5); - Auffangen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials in einem Wassertank (S6).
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln (6) nach Anspruch 20, wobei der Schritt Einbringen einer mineralogischen Pulvermaterials, die Änderung des Abstands zwischen Pulvermaterial und Lichtbogen der Plasmaflamme umfasst.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln (6) nach Anspruch 21, wobei der Schritt Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit das Einstellen der Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts umfasst.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln (6) nach einem der Ansprüche 21 bis 22, wobei eine erste Oberfläche des mineralischen Partikels und eine zweite Oberfläche an Poren ausgebildet werden mit jeweils einer unterschiedlichen Oberflächenstruktur an der erstarrten Oberfläche des Partikels und in den Poren.