-
Technisches Gebiet
-
Das Gebrauchsmuster betrifft das Gebiet der Desinfektion und Reinigung von Luft von Mikroorganismen und Aerosolen, das heißt eine Einrichtung zur Luftdesinfektion von Mikroorganismen und biologischen Stoffen, indem diese dauerhaft inaktiviert werden, durch Wirkung elektrostatischer Felder und Filterung durch elektrostatische Abscheidung.
-
Das Gebrauchsmuster kann zur Desinfektion und Reinigung von Luft in kombinierten Ausgabe-und-Eingabe-Belüftungssystemen für "biologisch reine" Bereiche in der Medizin, der pharmazeutischen, mikrobiologischen Industrie und Lebensmittelindustrie und anderen Bereichen angewendet werden, in denen es erforderlich ist, infektiöse und gesundheitlich-epidemiologische Sicherheit von Luft sicherzustellen. Ferner kann das Gebrauchsmuster zur Desinfektion von Luft in Transportmitteln verwendet werden, darunter sind enthalten der Passagiertransport auf der Straße und Schiene, Lufttransport, bemannte Raumflugzeuge, Wasser und Unterwassermittel usw., wie auch bei einer Personschutzausrüstungen (Bioschutz- und Anti-Aerosolmasken usw.), in autonomen Wiederaufbereitungsanlagen und anderen Einrichtungen.
-
Hintergrund
-
Eine Einrichtung zum Sterilisieren von Gas und zur Fein-Filterung ist in der
RU 2026751 offenbart. Die Einrichtung realisiert ein Verfahren zur Inaktivierung von Mikroorganismen, umfassend das Inaktivieren von Mikroorganismen in einem Luftstrom, wobei diese zunächst durch Ionen gleicher oder unterschiedlicher Vorzeichen geladen werden und anschließend die Mikroorganismen von dem elektrostatischen Filter zurückgehalten werden, wo sie gegebenenfalls inaktiviert werden. Zwei Ionisatoren verschiedener Polarität können in den Einrichtungen zur Verbesserung der Sterilisationswirkung verwendet werden.
-
Allerdings wird in solchen Einrichtung die Inaktivierung der Mikroorganismen lediglich nach dem Zurückhalten in dem elektrostatischen Filter durchgeführt, was unerwünscht ist, da während des Betriebs eine konstante Akkumulation von lebenden Organismen auftritt und das Risiko des "mehrfachen" Ausstoßes aus der Einrichtung in die Umgebung zunimmt.
-
Ferner ist es zur Inaktivierung von Mikroorganismen notwendig, eine hohe Ionenkonzentration in der Einrichtung zu erzeugen, was stets mit Emission eines erheblichen Betrags von Ozon und Stickstoffoxiden einhergeht. Die Abgabe der Gase in die Luft in hoher Konzentration ist gefährlich für Menschen und Tiere. Ferner hängt die Wirksamkeit der Inaktivierung von der Konzentration der Ionen und des Ozons in der Vorrichtung ab, wodurch die Zuverlässigkeit des Betriebs solcher Vorrichtungen eingeschränkt ist.
-
Eine Vorrichtung zur Inaktivierung und Fein-Filterung von Viren und Mikroorganismen in einem Luftstrom ist in der
RU 2344882 offenbart. Die Vorrichtung weist auf: eine Hochspannungsleistungsquelle; ein Mittel, das sequentiell stromabwärts bezüglich des Luftstroms angeordnet ist, zum vorläufigen Behandeln des Luftstroms, wobei das Mittel aus entgegengesetzt geladenen leitenden Filterelementen ausgebildet ist, zwischen denen eine dielektrische Platte eines hochporösen durchlässigen Materials angeordnet ist; eine Inaktivierungskammer mit zwei Abschnitten, wobei jeder Abschnitt eine koaxial angeordnete Nadelkoronaelektrode (needle corona electrode) und eine zylindrische koronafreie Elektrode (cylindrical non-corona electrode), wobei jede davon elektrisch mit einer entsprechenden leitenden Filterplatte verbunden ist, und einen Abscheider aufweist, der aus parallel entgegengesetzt geladenen Platten aus einem hochporösen permeablen bzw. durchlässigen leitfähigen Material gefertigt ist, zwischen denen Platten von durchlässigen hochporösen dielektrischen Platten angeordnet sind. Wenigstens ein erstes stromabwärts gelegenes leitfähiges Filterelement des vorläufigen Behandlungsmittels ist als zylindrische Elektrode aufgebaut, mit einer Basis in der Form einer leitfähigen Platte, die aus einem porösen durchlässigen leitfähigen Material gefertigt ist, benachbart zu einer Platte eines durchlässigen hochporösen dielektrischen Materials, und einer Platte eines hochporösen leitfähigen Materials, das in einem Abstand von dem freien Ende der zylindrischen Elektrode angeordnet ist, wobei die Platte benachbart zur elektrisch verbundenen Nadelelektrode vorgesehen ist, die koaxial zur zylindrischen Elektrode angeordnet ist und deren Punkt zur dielektrischen Platte gerichtet ist, wobei die zylindrische Elektrode und die Nadelelektrode mit entgegengesetzten Polen der Leistungszufuhr verbunden sind. In der Vorrichtung werden poröse durchlässige Elektroden, die eine dreidimensionale Struktur, wie beispielsweise eine offene Zellstruktur des Grundmaterials (geschäumtes Metall), verwendet.
-
Während des Betriebs der Vorrichtung wird eine erforderliche Konzentration von Ionen entsprechender Vorzeichen erhalten. In dem vorläufigen Behandlungsmittel werden Bioaerosole geladen, und die elektrischen Felder von unterschiedlichen Intensitäten und Gradienten wirken auf diese. "Kaltes Plasma" hat einen Einfluss auf Mikroorganismen an den Punkten der Nadelkoronaelektroden.
-
In der Vorrichtung wird zunächst eine grobe Filterung der Luft von großen Partikeln durchgeführt. Anschließend werden Mikroorganismen und Viren durch die Ionen eines Vorzeichens geladen, dann durch die Ionen des entgegengesetzten Vorzeichens.
-
Nach dem vorläufigen Behandlungsmittel tritt der Luftstrom in die Inaktivierungskammer der zwei Abschnitte ein, die mit zwei einpolig geerdeten Elektroden oder Entladungselektroden unterschiedlicher Polaritäten ausgestattet ist.
-
In einer Inaktivierungskammer mit zwei Abschnitten findet eine mehrfache Wiederaufladung von Bioaerosolen statt, unter der Wirkung von Ionen, aufgrund eines elektrischen Kontakts mit den Elektroden unterschiedlicher Polarität und der Oberfläche des polarisierten dielektrischen Filtermaterials. Nach dem Durchlaufen der Inaktivierungskammer werden sich die vorhandenen Mikroorganismen und Viren im Luftstrom in einem inaktivierten Zustand befinden.
-
Nach dem Durchlaufen der Inaktivierungskammern stehen die Partikel für eine Abscheidungsladung bereit, und diese werden in dem elektrostatischen Abscheider zurückgehalten.
-
Die Vorrichtung aus dem Stand der Technik und das Verfahren, das von der Vorrichtung implementiert wird, ermöglichen eine Überwindung der Nachteile, die mit der oben beschriebenen Vorrichtung gemäß
RU 2026751 verbunden sind. Allerdings müssen beim Prozess der Inaktivierung von Mikroorganismen und Viren gleichzeitig mehrere Bedingungen vorliegen: gleichzeitiges Erzeugen von hoher Konzentration von Ionen gleicher oder unterschiedlicher Polarität, Ozon, Intensität elektrostatischer Felder und Polarisation des Dielektrikums. Die gleichzeitige Bereitstellung der Bedingungen und die Sicherstellung einer hohen Wirkung bei der Inaktivierung von Mikroorganismen in der Vorrichtung ist technisch schwierig, da jeder dieser Faktoren das Resultat des Prozesses beeinflusst. Die Wirksamkeit der Inaktivierung von Mikroorganismen in einer solchen Vorrichtung hängt von der Konzentration der Ionen und des Ozons in der Vorrichtung, den dielektrischen Eigenschaften, der Intensität der elektrischen Felder zwischen den Elektroden und anderen Charakteristika ab. Ferner erfordert die Zersetzung von Ozon in einer solchen Vorrichtung die Verwendung von Katalysatoren, was eine konstante Überwachung deren Leistungsfähigkeit erfordert, wodurch die Sicherheit bei der Verwendung dieser Vorrichtung unter Berücksichtigung des "Faktors Mensch" erschwert wird, und wobei zusätzliche Messungen zur Sicherstellung der Betriebssicherheit erforderlich sind.
-
Der Hauptzweck des Gebrauchsmusters besteht darin, die Effizienz bei der Luftdesinfektion zu verbessern, indem zur schnellen Inaktivierung einer Zelle eines Mikroorganismus Elektroporation in elektrostatischen Feldern angewendet wird, gefolgt von einer Filterung von inaktivierten Mikroorganismen und Feststoffen in einem elektrostatischen Abscheider.
-
Weitere Aufgaben des vorliegenden Gebrauchsmusters bestehen darin, die Zuverlässigkeit der Vorrichtung zu verbessern.
-
Zusammenfassung des Gebrauchsmusters
-
Die Probleme werde mit einer Vorrichtung zur Desinfektion eines Luftstroms gelöst, die entlang des Luftstroms sequentiell bzw. hintereinander angeordnete Elektroden in der Form von für den Luftstrom durchlässige bzw. permeable leitfähige Platten, die quer zum Strom angeordnet sind, und eine Hochspannungsleistungsquelle aufweist, die mit den Elektroden verbunden ist, so dass die Elektroden abwechselnde Polaritäten aufweisen. Gemäß dem Gebrauchsmuster befinden sich die Elektroden auf der Oberfläche des Konzentrators für das elektrische Feld in der Form von Vorsprüngen, wobei der Basisdurchmesser 30 µm nicht übersteigt.
-
Die Konzentratoren des elektrostatischen Felds an den Elektroden ermöglichen die Erzeugung von lokalen Zonen hoher Intensität, und der Wechsel dieser lokalen Zonen, der Zonen geringer Intensität und der Zonen ohne Intensität der elektrostatischen Felder, führt, wenn sich die Richtung und Stärke der Intensität dieser Felder ändern, zu einer raschen Elektroporation von Zellen von Mikroorganismen und die Zerstörung von deren Struktur.
-
Vorzugsweise liegt die Größenordnung der Vorsprünge im Bereich von Nanometern, mit einem Basisdurchmesser von nicht mehr als 100 nm.
-
Ferner können leitfähige Platten bereitgestellt werden, die für den Luftstrom durchlässig sind und aus einem porösen elektrisch leitfähigen Material oder aus porösen leitfähigen Fasergrundstrukturen gefertigt sind.
-
Zwischen den Elektroden können ferner hochporöse dielektrische Platten angeordnet sein, die auch Vorsprünge in der Größenordnung von Nanometern auf deren Oberflächen aufweisen.
-
Wenigstens eine Zone hoher Ionenkonzentration kann zwischen den Elektroden ausgebildet sein.
-
Wenn verschiedene Zonen hoher Ionenkonzentration zwischen den Elektroden ausgebildet sind, sind die Ionen der Zonen hoher Konzentration von gleicher Polarität, und die Ionen in anderen Zonen haben die andere Polarität.
-
Vorzugsweise wechseln sich die Zonen hoher Ionenkonzentration derselben Polarität mit Zonen hoher Ionenkonzentration der entgegengesetzten Polarität ab.
-
Ferner ist wenigstens eine Zone hoher Ionenkonzentration vor der ersten Elektrode ausgebildet, stromabwärts bezüglich des Luftstroms. Wenn mehrere solcher Zonen vorhanden sind, haben die Ionen in diesen Zonen vorzugsweise dieselbe Polarität.
-
All die obigen Zonen hoher Ionenkonzentration können ausgebildet werden, indem eine Nadelkoronaelektrode, die bezüglich einer zylindrischen koronafreien Elektrode koaxial angeordnet ist, angewendet wird.
-
Vorzugsweise wird wenigstens eine Zone höherer Ionenkonzentration an dem Einlass durch eine hochporöse durchlässige Elektrode, die eine Polarität hat, die mit der Polarität der nächstliegenden Elektrode übereinstimmt, begrenzt, wobei die Zone auch am Auslass von einer hochporösen durchlässigen Elektrode begrenzt sein kann, welche eine Polarität aufweist, die mit der Polarität der nächstliegenden Elektrode übereinstimmt.
-
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
-
Die vorgenannten und andere Merkmale und Aspekte des Gebrauchsmusters werden am besten mit Bezug auf die folgende Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen des Gebrauchsmusters verstanden, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen werden.
-
1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung zur Desinfektion eines Luftstroms gemäß dem Gebrauchsmuster;
-
2 entspricht dieser Ansicht, allerdings mit einer hochporösen dielektrischen Platte zwischen den Elektroden;
-
3 entspricht der Ansicht der 2, wobei Zonen hoher Ionenkonzentration zwischen den Elektroden ausgebildet sind;
-
4 entspricht der Ansicht der 3, wobei die Zone hoher Ionenkonzentration vor der ersten Elektrode stromabwärts bezüglich des Luftstroms ausgebildet ist;
-
5 entspricht der Ansicht der 4, wobei die hochporöse durchlässige Elektrode an dem Einlass der Zone hoher Ionenkonzentration vor der ersten Elektrode stromabwärts bezüglich des Luftstroms ausgebildet ist;
-
6 entspricht der Ansicht der 5, wobei eine hochporöse durchlässige Elektrode an dem Auslass der Zone hoher Ionenkonzentration vor der ersten Elektrode stromabwärts bezüglich des Luftstroms ausgebildet ist;
-
7 ist ein Diagramm der Änderungen der Intensität des elektrostatischen Felds in der Nähe der Vorsprünge, deren Größenordnung im Bereich von Nanometern liegt, an einer Elektrode;
-
8 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Nadelkoronaelektrode.
-
1 zeigt die einfachste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem Gebrauchsmuster.
-
Bester Weg zur Ausführung des Gebrauchsmusters
-
1 zeigt die einfachste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem Gebrauchsmuster.
-
Die Vorrichtung weist auf: Elektroden 1, die hintereinander entlang des Luftstroms A angeordnet sind, in der Form von bezüglich des Luftstroms durchlässigen leitfähigen Platten, die quer zum Strom angeordnet sind, und eine Hochspannungsleistungsquelle 2, die mit den Elektroden 1 verbunden ist, so dass die Elektroden 1 wechselnde Polarität aufweisen. Die Platten der Elektroden 1 können aus verschiedenen Materialien gefertigt sein: durchlässige geschäumte Metalle, poröse elektrisch leitfähige Pulvermaterialien, poröse Fasergrundstrukturen und dergleichen. Es ist lediglich erforderlich, dass in den Platten dieser Elektroden eine durchschnittliche Porengröße von nicht mehr als 6 mm vorliegt. Auf der Oberfläche der Elektroden befinden sich Konzentratoren für das elektrostatische Feld in der Form von Vorsprüngen 3 (7), mit einem Basisdurchmesser von nicht mehr als 30 µm. Vorzugsweise liegt die Größenordnung der Vorsprünge 3 im Bereich von Nanometern, mit einem Basisdurchmesser von nicht mehr als 100 nm. Die Vorsprünge 3 im Bereich von Nanometern auf der Oberfläche der Elektrode 1 können beispielsweise durch metallurgische Pulvertechniken erhalten werden. Die Leistungszufuhr 2 ist so gewählt, dass damit ein elektrostatisches Feld einer Intensität von nicht weniger als 2 kV/cm zwischen den benachbarten Elektroden 1 erzeugt wird. In diesem Fall erreicht die Intensität des elektrostatischen Felds in der Nähe der Nano-Vorsprünge 3, deren Durchmesser den obigen Wert nicht übersteigt, 100 kV/cm oder mehr. Studien haben gezeigt, dass dadurch ein elektrischer Durchschlag der mikrobiologischen Zellmembran bewirkt wird. Zum Erzeugen der erforderlichen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden und der Zuverlässigkeit und Stabilität der Funktion der Vorrichtung, muss die Hochspannungsleistungszufuhr eine Stabilisierung der Spannung oder des Stroms sicherstellen.
-
Während des Betriebs der Vorrichtung tritt ein Luftstrom, der Mikroorganismen und Aerosolpartikel enthält, durch die hochporöse Elektrode 1, auf deren Oberfläche Konzentratoren für ein elektrostatisches Feld in der Form von Vorsprüngen 3 vorliegen. In der Nähe der Oberfläche der Elektroden wird ein lokales elektrostatisches Feld hoher Intensität, die 100 kV/cm übersteigt, aufgrund der Vorsprünge 3 erzeugt.
-
Der Durchgang von Mikroorganismen durch elektrostatische Felder, deren Richtung und Stärke sich mehrfach ändern, führt zu mehreren Änderungen der Stärke und Polarität der elektrischen Potentiale auf der Oberfläche und innerhalb der Zelle, was Änderungen der Zellstruktur und deren elektrischer und mechanischer Eigenschaften zur Folge hat. Als Folge einer mehrfachen Depolarisation der Zelle bilden sich Poren in deren Membran (Elektroporation) und deren Struktur desintegriert (wird zerstört). Eine Inaktivierung von Mikroorganismen durch Zerstören deren Struktur beseitigt die Fähigkeit von Adaptionen auf solche Einflüsse, Mutationen oder Wiederherstellung ("Belebung"), das heißt die Inaktivierung ist unumkehrbar. Die Anzahl der Elektroden 1 mit Vorsprüngen 3 und die Anzahl der Richtungsänderungen der elektrostatischen Felder werden basierend auf der Strömungsrate der zu behandelnden Luft und den Parametern der zu behandelnden Luft bestimmt. Die Zeit, die zur Inaktivierung aller mikroorganischen Arten erforderlich ist, kann ungefähr 0,5 Sekunden betragen. Inaktivierte Mikroorganismen und Feststoffe werden von dem elektrostatischen Filter (nicht gezeigt) eingefangen. Die hochporösen dielektrischen Platten 4 können zwischen den Elektroden angeordnet sein (2), zur Vermeidung eines elektrischen Versagens zwischen den Elektroden 1, wenn die Luft oder das gasförmige Medium (Feuchtigkeit, Staub, Temperatur usw.) geändert wird, zur Vergleichmäßigung der Luftstromrate bezüglich des Querschnitts der Vorrichtung und zum Halten von Aerosolpartikeln auf der Oberfläche.
-
Die Einrichtung kann mit einer oder mehreren Ionisationskammern 5 (3) zur Erzeugung von Zonen hoher Ionenkonzentration zur Verbesserung der Wirkung der Vorrichtung bei hoher Feuchtigkeit ausgestattet sein. Die elektrischen Parameter der Ionisationskammern sind so gewählt, dass die Emission von Ozon und Stickstoffoxiden die Normalwerte nicht übersteigen. Die Ionisationskammer 5 kann bezüglich einer koaxial angeordneten Nadelkoronaelektrode 6 und zylindrischen koronafreien Elektrode 7 vorgesehen sein. Insbesondere ist die Koronaelektrode eine Nadel, wie beispielsweise ein Draht 8 (8), der in einer Metallröhre 9 koaxial dazu angebracht ist und von dieser ausreichend hervorsteht, um eine elektrische Korona zu erzeugen. 3 zeigt drei Ionisationskammern 5, wobei in der ersten und der letzten Kammer stromabwärts des Stroms die Koronaelektrode mit einem Pol der Leistungszufuhr 2 verbunden ist und die mittlere Kammer mit dem anderen Pol verbunden ist, so dass die Zone hoher Ionenkonzentration einer Platte sich mit den Zonen erhöhter Konzentration von Ionen entgegengesetzter Polarität abwechselt. Wenn allerdings mehrere Ionisationskammern in der Vorrichtung vorhanden sind, können diese Kammern beliebig angeordnet sein, ohne dass überlappende bzw. zwischenliegende Zonen hoher Konzentration von Ionen entgegengesetzter Polarität erforderlich wären (nicht gezeigt). Für eine effiziente Filterung ohne Erhöhung der Emission von Ozon können die Ionisationskammern beispielsweise Ionen derselben Polarität erzeugen.
-
Zum Herstellung der besten Bedingungen für den Betrieb der Vorrichtung, die Ionisationskammern aufweist, ist die Leistungsquelle so aufgebaut, dass die Elektroden 1 mit einem konstanten Spannungswert versorgt werden und die Ionisationskammern mit einem stabilisierten Strom versorgt werden.
-
Zur Erhöhung der Intensität der Wirkung bezüglich der Aerosolpartikel und zur Verbesserung der Stabilität der Vorrichtung bei hoher Feuchtigkeit und bei Staub in der Luft, ist es wünschenswert, diese Partikel mit positiven und/oder negativen Ionen im Voraus zu laden. Zu diesem Zweck ist wenigstens eine Zone hoher Ionenkonzentration vor der ersten stromabwärts gelegenen Elektrode 1 als eine Ionisationskammer 10 ausgebildet (4), vergleichbar mit einer der Ionisationskammern 5, die zwischen den Elektroden 1 positioniert sind.
-
Die Ionisationskammer 10 kann an der Eingabe durch eine hochporöse durchlässige Elektrode 11 begrenzt sein (5), deren Polarität mit der Polarität der nächstliegenden Elektrode 1 übereinstimmt. Eine hochporöse durchlässige Elektrode 12 (6) kann auch an der Ausgabe der Ionisationskammer 10 angeordnet sein, wobei deren Polarität mit der Polarität der nächstliegenden Elektrode 1 übereinstimmt.
-
Eine Begrenzung der Ionisationskammer 10 an dem Einlass und/oder dem Auslass mit den hochporösen durchlässigen Elektroden 11 und/oder 12 verbessert die Bedingungen zur Ladung von Aerosolen innerhalb der Kammer und vereinfacht die Implementierung der mehrfachen Wiederaufladung der Bioaerosole, wenn diese durch die Vorrichtung treten.
-
Zur Erhöhung der Menge der im Voraus geladenen Aerosolpartikel durch positive und/oder negative Ionen der Ionisationskammern 10, die vor der ersten stromabwärts gelegenen Elektrode angeordnet sind, können mehrere solcher Kammern vorgesehen sein (nicht gezeigt).
-
Eine Überwachung der Wirksamkeit der Luftdesinfektion kann durch Überwachen der elektrischen Parameter der Vorrichtungselemente (Ströme, Spannungen usw.) durchgeführt werden.
-
Die Verwendung des Gebrauchsmusters ermöglicht eine schnelle, effektive und zuverlässige Reinigung von Luft von allen Arten von Mikroorganismen und Viren, wie auch von Aerosolpartikeln, die eine Größe von 0,08 µm oder mehr aufweisen. Ferner wird mit dem Gebrauchsmuster auch eine hygienische Sicherheit erreicht, aufgrund der Inaktivierung von Mikroorganismen vor dem Filterschritt und aufgrund der Abwesenheit von gefährlichen Konzentrationen von Ozon und anderen schädlichen Substanzen.
-
Sofern erforderlich, kann zur Reinigung der Luft von schädlichen und schlechtriechenden Substanzen eine oder mehrere der Platten hochporöser Elektroden oder der Platten hochporösen Dielektrikums eine katalytische Adsorptionsbeschichtung aufweisen.
-
Wenn eine Erhöhung der Wirksamkeit der Filterung von Aerosolpartikeln erforderlich ist, kann ein zusätzliches Filtermaterial oder ein Hocheffizienzfilter zwischen den Elektroden der Vorrichtung installiert sein.
-
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
-
- RU 2026751 [0003, 0012]
- RU 2344882 [0006]
