WO2020003039A1 - Anordnung und verfahren zur dekontamination von objekten - Google Patents

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WO2020003039A1
WO2020003039A1 PCT/IB2019/054898 IB2019054898W WO2020003039A1 WO 2020003039 A1 WO2020003039 A1 WO 2020003039A1 IB 2019054898 W IB2019054898 W IB 2019054898W WO 2020003039 A1 WO2020003039 A1 WO 2020003039A1
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chamber
plasma system
discharge
mass flow
mixing chamber
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Stefan Nettesheim
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Relyon Plasma Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for the decontamination of
  • the arrangement comprises a chamber in which
  • At least one object to be treated is placed.
  • a plasma system is fluidly connected to the chamber for the object to be treated.
  • the invention further relates to a method for the decontamination of at least one object.
  • Plasma application is also considered a potential alternative to other chemical (e.g. chlorine use) or physical processes (e.g. high pressure, high voltage pulses, ionizing radiation).
  • chemical e.g. chlorine use
  • physical processes e.g. high pressure, high voltage pulses, ionizing radiation.
  • the advantages of the plasma process include: a. high effectiveness at low temperatures (usually ⁇ 70 ° C), targeted and consumption-oriented provision, little influence on the inner product matrix, water or
  • the international patent application WO 1995/009256 A1 deals with the treatment, in particular the cleaning, of surfaces, in particular foil and metal surfaces.
  • the cleaning is achieved in that a dielectric barrier discharge acts on the surface of the film strip.
  • a dielectric barrier discharge acts on the surface of the film strip.
  • European patent EP 1 337 281 B1 describes an enhancement of the cleaning action of plasma.
  • the strengthening of the indirect effect on the surface to be cleaned or sterilized is achieved by admixing additive gas components, such as. B. oxygen, water vapor or noble gases.
  • German patent application DE 100 36 550 A1 relates to a
  • Sterilization process in which the surface to be treated is exposed to a gas discharge.
  • the sterilization is carried out in a hydrogen and oxygen-containing gas atmosphere at a certain pressure.
  • An optimum effect is achieved in particular by humidified air (N 2 + 0 2 + H2O).
  • US patent application US 2015/0038584 A1 discloses a device for the plasma treatment of surfaces of objects. There is a spatial and temporal separation of the plasma process and the exposure of the
  • Disinfection device for plasma disinfection of surfaces with a
  • Plasma generator To generate a disinfecting plasma gas stream, the plasma gas stream is in communication with the plasma generator. At least one partially closed disinfection area is provided, which is designed to receive the surface to be disinfected.
  • Disinfection device has an aerosol generator for generating an aerosol stream containing aqueous particles.
  • the aerosol generator is in communication with the plasma generator in order to direct the plasma gas stream mixed with the aerosol stream in the disinfection area to the surface to be disinfected.
  • German patent application DE 10 2008 037 898 A1 relates to a method and a device for disinfecting or sterilizing packaging material and / or containers and / or filter material, the material or container being treated with a gas generated in a plasma reactor.
  • German patent application DE 10 2015 119 369 A1 relates to a device and a system and a method for treating an object
  • the device is used to treat an object with plasma and comprises a casing device with which an essentially gas-tight receiving space is formed or can be formed, into which an object to be treated can be accommodated.
  • the device comprises a first electrode and a second electrode, the two electrodes being arranged in relation to the casing device such that a plasma can be generated in the receiving space of the casing device when an electrical potential difference is applied to the electrodes.
  • the reactive gas is made from cold plasma at high voltage from a working gas (HVCP).
  • HVCP working gas
  • German patent application DE 10 2014 213 799 A1 discloses one
  • Household refrigeration device with a food processing unit and a method for operating such a household refrigeration device.
  • the household refrigerator is provided with an interior for holding food, which is delimited by walls of an inner container. Furthermore, a food treatment unit is provided, the food treatment unit for acting on a surface of the food introduced in the storage area, in the
  • Household refrigeration device is arranged and designed so that the action is a decontamination of pesticides and / or heavy metals in the food.
  • the German patent application DE 10 2005 061 247 A1 discloses a method and a device for sterilizing food. The food is exposed to at least one atmospheric plasma jet. Through the im
  • Oxidizing agent in a gaseous state in a sterilization chamber or an area to be sterilized A gas plasma is also injected into the
  • the decontamination / sterilization chamber is used to decontaminate sensitive devices and
  • the device can also be used for sterilization in medicine and
  • Atmospheric pressure plasma discharge generated in a He / 0 2 mixture and directed into the area of these objects, which leads to a chemical reaction between the reactive species and organic substances.
  • the plasma gases are recycled through a closed loop system to minimize helium loss and the possibility of aerosol pollutants.
  • the US patent application US 2014/0322096 A1 discloses a disinfection station with a fluid source and one or more plasma generators for generating non-thermal plasma. One or more nozzles spray a mist or fluid flow through plasma generated by the one or more plasma generators to activate the fluid. The liquid is then used to sterilize an object.
  • the international patent application WO 2008/126068 A1 discloses a plasma system with a plug-in cartridge and with a pair of identical, opposing electrode blocks. There is an inlet manifold for process gas. The process gas, such as air, is drawn into the distributor in one flow and flows in one
  • the ionized air flows into the treatment line where it hits the sample to be treated.
  • US patent application US 2013/0071286 A1 discloses a sterilization device using cold plasma for the sterilization of objects, such as. B. medical instruments.
  • the gas is supplied to a plasma chamber where it is excited by one or more electrodes coupled to a pulse source, thereby generating a cold plasma within the plasma chamber.
  • a dielectric barrier is placed between the gas chamber and the electrodes to create a
  • Plasma chambers hold one or more conductive stands connected to the floor of the object to be sterilized.
  • the cold plasma leaves the
  • Plasma chamber where it is returned for subsequent use as a plasma source in subsequent cycles.
  • the invention has for its object to provide an arrangement for the decontamination or sterilization of objects, by means of which the decontamination or sterilization can be carried out effectively and in a resource-saving manner in the shortest possible time.
  • Another object of the invention is to provide an automatic and controlled method for the decontamination or sterilization of objects, the decontamination or sterilization being effective and as short as possible
  • a possible embodiment of the arrangement for the decontamination of at least one object is characterized in that a chamber is provided which is fluidly connected to a plasma system.
  • the object to be treated is in the chamber.
  • a mixing chamber is arranged upstream of the plasma system.
  • the mixing chamber is connected via a line to an inlet of a discharge chamber of the plasma system, so that an input mass flow can be fed to the discharge chamber of the plasma system.
  • a conveyor is arranged in a second feed line from the chamber to the mixing chamber.
  • a circulating mass flow can be conducted from the chamber back to the mixing chamber with the aid.
  • the conveying means is preferably designed as a pump.
  • the advantage of using the circulation mass flow is that reactive substances or substances are repeatedly conveyed through the discharge chamber of the plasma system, so that their concentration increases to a certain equilibrium with each pass.
  • the discharge chamber of the plasma system can be effective with a relatively short or not too long discharge chamber
  • Discharge chamber of the plasma system is designed as a flow reactor which is fed with a gas mixture.
  • a flow reactor which is fed with a gas mixture.
  • the Gas composition and other process parameters, such as B. flow rate, temperature or pressure, a composition of products (reactive
  • Continuous stirred-tank reactor (CSTR) referred to.
  • An outlet is fluidly assigned to the chamber, so that an active mass flow can be removed from the chamber.
  • the funding is a pump, this can be designed as a diaphragm pump.
  • the yield of the discharge chamber of the plasma system or the arrangement according to the invention can be increased considerably.
  • the composition of the products that act on the object can be adjusted within a wide range.
  • a dielectric barrier discharge is used as the discharge type in the plasma system or in the discharge chamber. This can keep performance low.
  • at least one piezoelectric transformer can be provided in the discharge chamber of the plasma system.
  • piezoelectric transformer is connected to the voltage source of the plasma system for generating plasma and the reactive species.
  • Discharge chamber of the plasma system and the chamber with the object must be spatially separated from one another.
  • Components chamber, mixing chamber, recirculation switch, funding,
  • the arrangement can consist of a chamber in which the discharge burns. A recirculating flow is maintained within the chamber. Within a certain period of time turns out to be arrested
  • Boundary conditions an equilibrium of the concentrations.
  • a liquid / aqueous phase and a gaseous phase (air) co-exist in the chamber and if the pH in the liquid / aqueous phase drops into the acidic range, the pH increases
  • the pump can even be omitted.
  • the funding is thus formed solely by the power input of the discharge, so that a
  • a recirculation switch is provided between the plasma system and the chamber.
  • the recirculation switch is fluidly connected to an outlet of the plasma system or the discharge chamber via a line.
  • a first outlet of the recirculation switch is fluid with the circulation mass flow and a second outlet of the recirculation switch is fluid with the chamber via a line
  • An inlet of the discharge chamber is fluidly assigned to the plasma system, so that an input mass flow can be fed to the plasma system.
  • the ratio of freshly supplied media (input mass flow) and returned products (recirculation ratio) can be set.
  • a control and measuring unit is provided for this.
  • the recirculation ratio is between 1:10 and 10: 1, but typically 1: 3.
  • Recirculation ratio is one
  • Recirculation switch provided between the plasma system and the chamber.
  • Heat source / heat sink must be assigned to the plasma system. Likewise, one can for temperature monitoring and / or temperature adjustment of the chamber
  • Heat source / heat sink must be assigned.
  • the chamber can be assigned.
  • Condensate separator must be assigned.
  • a mixing chamber can be fluidly connected to the plasma system via the inlet.
  • the mixing chamber can be designed as an evaporator or humidifier.
  • Mixing chamber can also be assigned a heat source / heat sink.
  • the mixing chamber itself is connected to at least one metering unit via a first feed line and to the conveying means via a second feed line. The from the
  • Dosing units of freshly supplied substances can process gas, e.g. B. air or humidified air.
  • gas e.g. B. air or humidified air.
  • As an additional process gas z. B. steam or oxygen, hydrogen peroxide or an organic steam can be used.
  • a control and measuring unit is assigned to the arrangement for process control, which is communicatively connected to elements of the arrangement.
  • Elements of the arrangement are e.g. B. the voltage source, the recirculation switch, the chamber, the
  • Plasma system the conveyor, the mixing chamber, the heat sources / heat sinks or the at least one dosing unit.
  • Heat sources or heat sinks can be realized in different ways. So z. B. the plasma process or the discharge chamber itself
  • Heat source / heat sink of the chamber itself can be applied.
  • Recirculation mass flow is led from the chamber to the mixing chamber and is fed to the chamber again via the discharge chamber of the plasma system, so that an active mass flow leaving the discharge chamber has an increased concentration of reactive substances; and ⁇ that a control and measurement unit for process control has at least one
  • Discharge chamber of the plasma system the mixing chamber and the conveyor collects data that contribute to the control of the process control.
  • a given mixture of fresh substances is fed to the mixing chamber from at least one dosing unit via a first feed line and the recirculation mass flow from the conveyor via the second feed line.
  • an output mass flow is fed to a recirculation switch, the recirculation switch
  • the recirculation switch is monitored by the control and measuring unit and regulated depending on the process control.
  • the temperature in the mixing chamber, the plasma system or the discharge chamber and the chamber is monitored by means of the control and measuring unit and regulated depending on the process control.
  • a voltage source of the plasma system or the discharge chamber is monitored and regulated by means of the control and measuring unit.
  • the mixing chamber and the chamber are also monitored and regulated by means of the control and measuring unit.
  • the arrangement according to the invention can be used for decontamination or for the sterilization of objects, for cleaning objects, for the degradation of harmful substances and for the degradation of harmful substances, such as. B. organic vapors can be used.
  • Concentrations of H 2 O 2 and a low pH are known for killing germs and oxidizing organic substances. This is also used in medical technology and food technology for decontamination or sterilization.
  • air and water vapor are passed in a suitable manner through an unloading chamber (dielectric barrier discharge) of the plasma system.
  • unloading chamber dielectric barrier discharge
  • various stable species such as B.
  • Nitrogen oxides, ozone and hydrogen peroxide By recirculation (pumping the discharge of the discharge chamber of the plasma system to the entrance of the
  • Discharge chamber of the plasma system the ozone concentration and the concentration of hydrogen peroxide increase.
  • the pH value in the condensate drops into the acidic range.
  • This self-contained circuit can be opened by replenishing air and water and by discharging part of the mass flow at the outlet of the plasma system or the chamber, and can thus be operated continuously.
  • the harmful contaminants can be chemical or biological in nature.
  • harmful impurities can be understood to mean germs, spores, fungi, microorganisms of all kinds (viruses, bacteria, fungi, spores, primitive parasites) as well as organic pollutants, toxic organic compounds or poisons. It is obvious to a person skilled in the art that the above list is not exhaustive.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a further embodiment of the invention, wherein the plasma system is designed as a flow reactor;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of yet another embodiment of the invention, the plasma system being designed as a flow reactor and the chamber being spatially separated from the plasma system; and
  • Figure 4 is a schematic representation of a flow chart for performing a method for decontamination or sterilization of at least one object.
  • FIG. 1 shows an arrangement 1 for the decontamination or sterilization of
  • the arrangement 1, as indicated here, can consist of a chamber 6 in which a discharge 9 burns.
  • the discharge 9 burns in a plasma system 11 which is arranged inside the chamber 6.
  • the at least one object 4 to be sterilized is located in the chamber 6.
  • the chamber 6 is assigned an inlet 7, via which an input mass flow 7E can be brought into the chamber 6.
  • An outlet 8 is also assigned to the chamber 6, by means of which an active mass flow 8W can be removed from the chamber 6.
  • Inside the chamber 6 is a
  • Circulation mass flow 19 is formed, which leads over the plasma system 11 and the object 4 to be sterilized.
  • the circulation mass flow 19 can be set in the chamber 6 via a conveyor 12.
  • the funding 12 may be a pump or a forced air fan.
  • the circulation mass flow 19 is by the
  • the circulation mass flow 19 can be maintained via convection. Flierzu the chamber 6 is designed in such a way that a uniform convection is formed.
  • Circulation mass flow 19 with reactive substances not only reaches the object 4 to be decontaminated or sterilized, but also increases the proportion of reactive substances per unit volume.
  • the plasma system 11 has according to the structural
  • the concentrations of the reactive substances are balanced. If a liquid / aqueous phase and a gaseous phase (air) coexist in the chamber 6, the pH value drops into the acidic range in the aqueous phase and the concentration of hydrogen peroxide increases to a given equilibrium value.
  • Supply of air and water in a suitable ratio via the inlet 7 turns the chamber 6 (closed reactor) into a flow-through reactor.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a further embodiment of the invention, the plasma system 11 being designed as a flow reactor and the plasma system 11 being spatially separated from the chamber 6 (not shown here). At least one mixture of different initial fluid and gaseous components can be supplied to the plasma system 11 of the arrangement 1.
  • a single metering unit 23i is provided, which is connected to a mixing chamber 16 via a first feed line 25. Furthermore, the
  • Mixing chamber 16 is connected to the conveying means 12 via a second feed line 27.
  • a single metering unit 23i is shown in the embodiment shown here, this should not be interpreted as a limitation of the invention. As can be seen from the embodiment shown in FIG. 3, more than one metering unit 23i, 23 2 ,... 23N can be assigned to the mixing chamber 16.
  • the plasma system 11 consists of a voltage source 2, which is connected to a
  • Discharge chamber 17 is connected.
  • the discharge chamber 17 is with a
  • a discharge zone 18 is formed in the discharge chamber 17, within which the reactive species are formed.
  • the length L of the discharge chamber 17 is decisive for the formation of the proportion or the concentration of the reactive substances in the mixture leaving the discharge chamber 17.
  • Plasma system 11 or the discharge chamber 17, a gas or substance mixture are supplied.
  • a gas discharge ignites in the discharge zone 18 of the discharge chamber 17.
  • the gas composition and other process parameters such as flow rate, temperature or pressure, a constant composition of products (reactive substances) is created
  • a recirculation switch 5 is arranged downstream of the discharge chamber 17 of the plasma system 11.
  • the recirculation switch 5 is fluid with an outlet 13
  • a first exit 14 of the Recirculation switch 5 is fluidly connected to the circulation mass flow 19.
  • a second outlet 15 of the recirculation switch 5 is fluidly connected to the chamber 6 (not shown here) via a line 28.
  • Circulation mass flow 19 into the discharge chamber 17 of the plasma system 11 the concentration of the reactive substances can be gradually increased.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of yet another embodiment of the invention.
  • the discharge chamber 17 of the plasma system 11 is designed as a flow reactor.
  • the chamber 6 for the treatment of the objects 4 is of the
  • Discharge chamber 17 of the plasma system 11 is spatially separated. From the chamber 6 with the object 4, an active mass flow 8W is passed to the outlet 8
  • three metering units 23i, 23 2 , and 23z are connected to the mixing chamber 16.
  • the temperature in the mixing chamber 16 can be adjusted via a heat sink / heat source 30.
  • the input mass flow 7E is fed from the mixing chamber 16 to the inlet 7 of the discharge chamber 17 of the plasma system 11.
  • the plasma process (generating of
  • Plasma in the discharge chamber 17 itself can be a heat source 30, which is used to evaporate a liquid component, which is supplied by at least one of the metering units 23i, 23 2 , and 23z, in the mixing chamber 16.
  • the evaporation process in the mixing chamber 16 would then be a heat sink 30.
  • This relationship has the advantage that a liquid medium (eg water or condensate from the recirculation process) can be evaporated without additional heating power.
  • the discharge in the discharge chamber 17 of the plasma system 11 is generated by an electrical excitation, which is fed via the voltage source 2 of the plasma system 11.
  • the discharge chamber 17 can be heated or cooled by means of a heat source / heat sink 20.
  • the plasma process in the discharge chamber 17 itself can be a heat source 20, which is used to add a liquid component
  • Evaporation is cooled and a liquid medium without additional heating power (e.g. water) can be evaporated.
  • a liquid medium without additional heating power e.g. water
  • the outlet 13 of the discharge chamber 17 of the plasma system 11 is fed to the recirculation switch 5 via a line 26.
  • a second line 27 and the conveying means 12 can be used
  • Recirculation mass flow 19 are returned from the chamber 6 and the recirculation switch 5 to the mixing chamber 16.
  • the second outlet 15 of the recirculation switch 5 is fluidly connected via a line 28 to the chamber 6, in which the object 4 to be treated is located.
  • the chamber 6 can optionally be kept at a constant temperature via a heat source / heat sink 21. If necessary, part of the
  • Active gas and the condensate can be introduced from the chamber 6 into the circulation mass flow 19 via a condensate separator 22.
  • the chamber 6 is flowed through the outlet 8 to the environment.
  • a control and measuring unit 50 is provided for process control, which communicatively (wired and / or wireless) with the elements of the arrangement 1, such as. B. the voltage source 2, the recirculation switch 5, the chamber 6, the plasma system 11, the conveyor 12, the mixing chamber 16, the heat sources / heat sinks 20, 21 or the at least one metering unit 23i, 23 2 , ..., 23N can. It goes without saying for a person skilled in the art that the above counting is not exhaustive. Depending on requirements, elements of the arrangement 1 can be added or removed.
  • FIG. 4 A flow chart of an embodiment of the method according to the invention is shown in FIG. 4.
  • Discharge chamber 17 (flow reactor) is charged with at least one gas mixture or mixture from the at least one mixing chamber 16.
  • Discharge chamber 17 of the plasma system 11 is ignited.
  • Process parameters such as B. flow rate, temperature or pressure, there is a constant composition of substances (products) with different
  • Components from different dosing units 23i, 23 2 , ..., 23N are processed with a mixing chamber 16.
  • the temperature in the mixing chamber 16 can be adjusted via a heat sink / heat source 30.
  • the input mass flow 7E is fed into the discharge chamber 17 of the plasma system 11.
  • Discharge chamber 17 of the plasma system 11 burns the discharges in the discharge zone 18.
  • the discharge is generated by an electrical excitation, which is fed via the voltage source 2.
  • the plasma system 11 or the discharge chamber 17 can be heated or cooled.
  • the electrical discharge in the discharge chamber 17 is preferably ignited by means of at least one piezoelectric transformer 40.
  • the functionality of a piezoelectric is well known and need not be explained again here.
  • the output mass flow 13A is returned to the mixing chamber 16 via the recirculation switch 5 and partly via a conveying means 12.
  • the recirculation mass flow 19 and thus the recirculation ratio depend on the
  • the active mass flow 15W enters from the second outlet 15 of the recirculation switch 5 into a chamber 6 in which the object 4 to be treated is located.
  • the chamber 6 can optionally have a
  • Heat source / heat sink 22 are kept at a constant temperature.
  • part of the active gas and the condensate can be introduced into the recirculation mass flow 19 via a condensate separator 22.
  • An active mass flow 8W can be released to the environment via an outlet 8.
  • the yield of the reactive species generated in the discharge chamber 17 of the plasma system 11 can be considerably increased by the control and measuring unit 50 and the principle of recirculation.
  • Mixtures can be adjusted in a wide range by means of the mixing chamber 16.
  • a dielectric barrier discharge is used as the discharge type

Abstract

Es ist eine Anordnung (1) und ein Verfahren zur vollständigen Sterilisation von mindestens einem Objekt (4) offenbart. Hierzu ist eine Kammer (6) vorgesehen, in der die Sterilisation des Objekts (4) erfolgt. Ein Plasmasystem (11) zur Erzeugung von reaktiven Spezies ist der Kammer (6) zugeordnet. Ein Fördermittel (12) ist derart angeordnet, dass ein Zirkulationsmassenstrom (19) durch das Plasmasystem (11) und über mindestens ein Objekt (4) durch die Kammer (6) und zurück zum Fördermittel(12) führt. Ein Auslass (8) ist der Kammer (6) fluide zugeordnet, so dass aus der Kammer (6) ein Wirkmassenstrom (8W) abgeführt werden kann.

Description

Anordnung und Verfahren zur Dekontamination von Objekten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dekontamination von
mindestens einem Objekt. Die Anordnung umfasst eine Kammer in der das
mindestens eine zu behandelnde Objekt platziert ist. Ein Plasmasystem ist fluide mit der Kammer für das zu behandelnde Objekt verbunden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dekontamination von mindestens einem Objekt.
Industriell werden Plasmaverfahren derzeit u. a. in der Medizintechnik, der
Werkstoffherstellung und der Beleuchtungstechnik eingesetzt. Die Anwendung von Plasma erlaubt prinzipiell eine Reduktion mikrobieller Kontaminanten bei geringen Temperaturen, wobei die Wirkung primär auf den Oberflächen erzielt wird. Erste Versuchsreihen im Labormaßstab zur Plasmaanwendung im Lebensmittelbereich untersuchen hauptsächlich Möglichkeiten zur Inaktivierung unerwünschter
Mikroorganismen bei hitzeempfindlichen Lebensmitteln, da herkömmliche thermische Dekontaminationsverfahren bei Produkten, wie bspw. frischem Obst und Gemüse, Fleisch oder Eiern, nicht oder nur begrenzt einsetzbar sind. Die Plasmaanwendung gilt auch als potenzielle Alternative zu anderen chemischen (z. B. Chloreinsatz) oder physikalischen Verfahren (z. B. Hochdruck-, Hochspannungsimpulse, ionisierende Bestrahlung). Als Vorteile des Plasmaverfahrens gelten u. a. eine hohe Wirksamkeit bei niedrigen Temperaturen (i. d. R. < 70 °C), gezielte und verbrauchsgerechte Bereitstellung, geringe Beeinflussung der inneren Produktmatrix, wasser- bzw.
losem ittel- und rückstandsfreie sowie ressourceneffiziente Anwendung. Andere Verfahren, wie Hochdruck und/oder ionisierende Strahlung sind komplex oder kostspielig. Die Dekontamination mit UV-Licht ist oft nicht wirksam und durch
Schatteneffekte eingeschränkt.
Die internationale Patentanmeldung WO 1995/009256 A1 befasst sich mit der Behandlung, insbesondere der Reinigung, von Oberflächen, insbesondere Folien- und Metalloberflächen. Die Reinigung wird dadurch erreicht, dass eine dielektrisch behinderte Entladung auf die Oberfläche des Folienbandes einwirkt. Durch Einwirkung hochenergetischer geladener Teilchen und durch Einwirkung von Photonen aus dem UV-Spektralbereich wird, z. B. der Öl- bzw. Fettfilm, bereits nach kurzer Zeit so weit entfernt, dass eine Weiterverarbeitung möglich ist.
In dem europäischen Patent EP 1 337 281 B1 wird eine Verstärkung der reinigenden Wirkung von Plasma beschrieben. Die Verstärkung der indirekten Wirkung auf die zu reinigende oder zu sterilisierende Oberfläche wird durch Zumischen von additiven Gaskomponenten, wie z. B. Sauerstoff, Wasserdampf oder auch Edelgasen, erreicht.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 100 36 550 A1 betrifft ein
Sterilisationsverfahren, bei dem die zu behandelnde Oberfläche einer Gasentladung ausgesetzt wird. Die Sterilisation wird in einer Wasserstoff- und sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre bei einem bestimmten Druck durchgeführt. Ein Wirkungsoptimum wird insbesondere durch angefeuchtete Luft (N2+ 02 +H2O) erreicht.
Die US-Patentanmeldung US 2015/0038584 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen von Objekten. Es ist dabei eine räumliche und zeitliche Trennung des Plasmaprozesses und der Exposition des zu
reinigenden/sterilisierenden Objektes beschrieben.
Die US-Patentanmeldung US 2016/0220714 A1 offenbart eine
Desinfektionsvorrichtung zur Plasmadesinfektion von Oberflächen mit einem
Plasmagenerator. Zur Erzeugung eines desinfizierenden Plasmagasstroms steht der Plasmagasstrom mit dem Plasmagenerator in kommunizierender Verbindung. Es ist mindestens ein teilweise geschlossener Desinfektionsbereich vorgesehen, der zur Aufnahme der zu desinfizierenden Oberfläche ausgebildet ist. Die
Desinfektionsvorrichtung besitzt einen Aerosolgenerator zur Erzeugung eines wässrigen Partikels enthaltenen Aerosolstroms. Der Aerosolgenerator steht mit dem Plasmagenerator in kommunizierender Verbindung, um den mit dem Aerosolstrom vermischten Plasmagasstrom im Desinfektionsbereich auf die zu desinfizierende Oberfläche zu leiten.
Zu diesem aktivierten Wasser können, je nach Prozess für die Sterilisation, noch zusätzliche Additive, wie z. B. Peressigsäure oder Wasserstoffperoxid, hinzugesetzt werden. Die US-Patentanmeldung US 2003/0133832 A1 offenbart die Verwendung von freien Hydroxylradikalen zur Sterilisation bzw. Dekontamination. Die Hydroxylradikale weisen ein besonders hohes Oxidationspotential auf. Die Hydroxylradikale werden durch die photolytische Reaktion von Ozon mit Wasser unter UV-Licht gebildet.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2008 037 898 A1 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Desinfektion oder Sterilisation von Verpackungsmaterial und/oder Behältern und/oder Filtermaterial, wobei das Material bzw. der Behälter mit einem in einem Plasmareaktor erzeugten Gas behandelt wird.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 119 369 A1 betrifft eine Vorrichtung sowie ein System und ein Verfahren zur Behandlung eines Gegenstandes,
insbesondere eines oder mehrerer Freiform körper, mit Plasma. Die Vorrichtung dient zur Behandlung eines Gegenstandes mit Plasma und umfasst eine Hülleinrichtung, mit der ein im Wesentlichen gasdichter Aufnahmeraum ausgebildet oder ausbildbar ist, in den ein zu behandelnder Gegenstand aufgenommen werden kann. Des
Weiteren umfasst die Vorrichtung eine erste Elektrode sowie eine zweite Elektrode, wobei die beiden Elektroden in Bezug zur Hülleinrichtung derart angeordnet sind, dass bei Anlage einer elektrischen Potenzialdifferenz an den Elektroden, ein Plasma im Aufnahmeraum der Hülleinrichtung erzeugbar ist.
Die US-Patentanmeldung US 2017/112157 A1 offenbart ein Verfahren zur
Behandlung einer Oberfläche mit einem reaktiven Gas. Das reaktive Gas wird aus kaltem Plasma bei Hochspannung aus einem Arbeitsgas (HVCP) hergestellt.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2014 213 799 A1 offenbart ein
Haushaltskältegerät mit einer Lebensmittel-Behandlungseinheit sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Haushaltskältegeräts. Das Haushaltskältegerät ist mit einem Innenraum zur Aufnahme von Lebensmitteln versehen, der durch Wände eines Innenbehälters begrenzt ist. Ferner ist eine Lebensmittel-Behandlungseinheit vorgesehen, wobei die Lebensmittel-Behandlungseinheit zur Einwirkung auf eine Oberfläche von den im Lagerbereich eingebrachten Lebensmitteln, in dem
Haushaltskältegerät angeordnet und so ausgebildet ist, dass das Einwirken eine Dekontamination von Pestiziden und/oder Schwermetallen im Lebensmittel ist. Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2005 061 247 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entkeimen von Lebensmitteln. Das Lebensmittel wird mit mindestens einem atmosphärischen Plasmastrahl beaufschlagt. Durch die im
Plasmastrahl enthaltene Energie wird die Entkeimung der Oberfläche des
Lebensmittels durchgeführt.
Die US Patentanmeldung US 2004/002673 A1 offenbart ein Sterilisationsverfahren, das nicht im Vakuum durchgeführt wird. Zunächst erfolgt das Einführen eines
Oxidationsmittels in einem gasförmigen Zustand in eine Sterilisationskammer oder einen zu sterilisierenden Bereich. Ebenso wird ein Gasplasma in die
Sterilisationskammer oder den zu sterilisierenden Bereich eingeführt.
Die US Patent US 6,228,330 B1 offenbart eine Dekontaminations- /
Sterilisationskammer für Atmosphärendruck-Plasma. Mit der Dekontaminations- / Sterilisationskammer erfolgt die Dekontamination empfindlicher Geräte und
Materialien wie z. B. Elektronik, Optik und nationaler Schätze, die mit chemischen und / oder biologischen Kampfstoffen, wie Milzbrand oder Senfblister, kontaminiert wurden. Die Vorrichtung kann auch zur Sterilisation in der Medizin- und
Lebensmittelindustrie verwendet werden. Gegenstände, die dekontaminiert oder sterilisiert werden sollen, werden in der Kammer abgelegt. Reaktive Gase, die atomare und metastabile Sauerstoffspezies enthalten, werden durch eine
Atmosphärendruck-Plasmaentladung in einem He / 02-Gemisch erzeugt und in den Bereich dieser Gegenstände geleitet, was zu einer chemischen Reaktion zwischen den reaktiven Spezies und organischen Substanzen führt. Die Plasmagase werden durch ein geschlossenes Kreislaufsystem zurückgeführt, um den Heliumverlust und die Möglichkeit des Austritts von aerosolen Schadstoffen zu minimieren.
Die US Patentanmeldung US 2014/0322096 A1 offenbart eine Desinfektionsstation mit einer Fluidquelle und einem oder mehreren Plasmaerzeugern zum Erzeugen von nichtthermischem Plasma. Eine oder mehrere Düsen sprühen einen Nebel oder einen Fluidstrom durch Plasma, das von dem einen oder den mehreren Plasmaerzeugern erzeugt wird, um das Fluid zu aktivieren. Die Flüssigkeit wird dann verwendet, um ein Objekt zu sterilisieren. Die internationale Patentanmeldung WO 2008/126068 A1 offenbart ein Plasmasystem mit einer Einsteckpatrone und mit einem Paar von identischen gegenüberliegenden Elektrodenblöcken. Es gibt einen Einlassverteiler für Prozessgas. Das Prozessgas, wie Luft, wird in einer Strömung in den Verteiler gesaugt und strömt in einer
Strömungsrichtung entlang des Pfades, auf dem es ionisiert wird. Die ionisierte Luft tritt in einer Strömung in die Behandlungsleitung aus, wo sie auf die zu behandelnde Probe auftrifft.
Die US Patentanmeldung US 2013/0071286 A1 offenbart ein Sterilisationsgerät mittels kaltem Plasma zur Sterilisation von Gegenständen, wie z. B. medizinische Instrumente. Das Gas wird einer Plasmakammer zugeführt, wo es durch eine oder mehrere mit einer Impulsquelle gekoppelte Elektroden angeregt wird, um dadurch ein kaltes Plasma innerhalb der Plasmakammer zu erzeugen. Eine dielektrische Barriere ist zwischen der Gaskammer und den Elektroden angeordnet, um eine
Entladungsvorrichtung für eine dielektrische Barriere zu bilden. Innerhalb der
Plasmakammer halten ein oder mehrere leitende Ständer, die mit dem Boden verbunden sind, das zu sterilisierende Objekt. Das kalte Plasma verlässt die
Plasmakammer, wo es zur weiteren Verwendung als Plasmaquelle in nachfolgenden Zyklen zurückgeführt wird.
Alle nicht thermischen Verfahren (chemisch, plasmachemisch, physikalisch oder optisch) sind umso wirkungsvoller, je höher die Konzentration der wirksamen Spezies ist und je höher die Expositionszeit der kontaminierten Oberfläche ist. Dabei werden bei mikrobiologischen Organismen oft Schwellwerte beobachtet, unterhalb derer auch bei längerer Exposition die Wirkung verschwindet. Eine vollkommene
Dekontamination kann dadurch nicht erreicht werden.
Bei einer direkten Behandlung mit chemischen Gasmischungen oder Flüssigkeiten, wie z. B. Etylenoxid oder H2O2, kann die Konzentration in einem weiten Bereich frei an den Prozess angepasst werden. Allerdings müssen dann gegebenenfalls
gesundheitsgefährdende Konzentrationen sicher gehandhabt werden.
Bei UV- oder Entladungsverfahren ist die Konzentration der erzeugten Spezies stark abhängig von der Leistung und der Leistungsdichte, die nicht beliebig zu steigern ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für die Dekontamination oder Sterilisation von Objekten zu schaffen, mittels der die Dekontamination oder Sterilisation in möglichst kurzer Zeit effektiv und ressourcenschonend durchgeführt werden kann.
Die obige Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Dekontamination bzw. Sterilisation von mindestens einem Objekt gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein automatisches und gesteuertes Verfahren zur Dekontamination oder Sterilisation von Objekten bereitzustellen, wobei die Dekontamination oder Sterilisation in möglichst kurzer Zeit effektiv und
ressourcenschonend durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Dekontamination von Objekten gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 9 umfasst.
Eine mögliche Ausführungsform der Anordnung zur Dekontamination von mindestens einem Objekt zeichnet sich dadurch aus, dass eine Kammer vorgesehen ist, die mit einem Plasmasystem fluide verbunden ist. In der Kammer befindet sich das zu behandelnde Objekt. Eine Mischkammer ist dem Plasmasystem vorgeordnet. Über eine Leitung ist die Mischkammer mit einem Einlass einer Entladungskammer des Plasmasystems verbunden, so dass der Entladungskammer der Plasmasystems ein Eingangsmassenstrom zugeführt werden kann. Ein Fördermittel ist in einer zweiten Zuleitung aus der Kammer zu der Mischkammer angeordnet. Mit dem Fördermittel kann ein Zirkulationsmassenstrom aus der Kammer zurück zur Mischkammer geführt werden. Bevorzugt ist das Fördermittel als Pumpe ausgebildet.
Der Vorteil der Anwendung des Zirkulationsmassenstroms ist, dass reaktive Stoffe bzw. Substanzen immer wieder durch die Entladungskammer des Plasmasystems gefördert werden, so dass deren Konzentration mit jedem Durchlauf bis zu einem bestimmen Gleichgewicht zunimmt. Dadurch kann man mit einer relativ kurzen bzw. nicht zu langen Entladungskammer des Plasmasystems die für eine effektive
Dekontamination bzw. Sterilisation erforderliche Konzentration erhalten. Die
Entladungskammer des Plasmasystems ist als ein Durchflussreaktor ausgebildet, der mit einem Gasgemisch beschickt wird. In diesem Durchflussreaktor wird eine
Entladung gezündet. So entstehen je nach Intensität der Gasentladung, der Gaszusammensetzung und weiterer Prozessparameter, wie z. B. Durchflussrate, Temperatur oder Druck, eine Zusammensetzung von Produkten (reaktiven
Substanzen oder Stoffe) mit unterschiedlicher Lebensdauer und Reaktivität. In der chemischen Verfahrenstechnik wird ein solcher Durchflussreaktor auch als
kontinuierlicher Rührkesselreaktor (oder Continuous stirred-tank reactor: CSTR) bezeichnet.
Ein Fördermittel, das z. B. als Pumpe oder Gebläse ausgestaltet ist, ist derart angeordnet, dass ein Zirkulationsmassenstrom durch die Entladungskammer des Plasmasystems und über mindestens ein Objekt in der Kammer (und zurück) geführt wird. Ein Auslass ist der Kammer fluide zugeordnet, so dass aus der Kammer ein Wirkmassenstrom abführbar ist. Für den Fall, dass das Fördermittel eine Pumpe ist, kann diese als Membranpumpe ausgebildet sein.
Durch die mittels des Fördermittels initiierte Rezirkulation kann die Ausbeute der Entladungskammer des Plasmasystems bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich gesteigert werden. Die Zusammensetzung der Produkte, die auf das Objekt einwirken, kann in einem weiten Bereich eingestellt werden. Als Entladungstyp wird im Plasmasystem bzw. in der Entladungskammer eine dielektrische Barrierenentladung eingesetzt. Dadurch kann die Leistung niedrig gehalten werden. Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann in der Entladungskammer des Plasmasystems mindestens ein piezoelektrischer Transformator vorgesehen sein. Der
piezoelektrische Transformator ist mit der Spannungsquelle des Plasmasystems zur Erzeugung von Plasma und den reaktiven Spezies verbunden.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung können die
Entladungskammer des Plasmasystems und die Kammer mit dem Objekt räumlich voneinander getrennt sein.
Die verschiedenen Ausführungsformen der Anordnung unterscheiden sich bei gleichem Grundkonzept nur durch den Integrationsgrad der verschiedenen
Komponenten (Kammer, Mischkammer, Rezirkulationsweiche, Fördermittel,
Wärmequellen/Wärmesenken, Dosiereinheiten, etc.) und die Details der
Prozessführung (Entladungsleistung, Temperaturen und Masseströme). ln der einfachsten Ausführungsform kann die Anordnung aus einer Kammer bestehen, in der die Entladung brennt. Innerhalb der Kammer wird eine rezirkulierende Strömung aufrechterhalten. Innerhalb einer bestimmten Zeit stellt sich bei festgehaltenen
Randbedingungen ein Gleichgewicht der Konzentrationen ein. Ko-existieren in der Kammer eine flüssige/wässrige Phase und eine gasförmige Phase (Luft) und sinkt in der flüssigen/wässrigen Phase der pH-Wert in den sauren Bereich, steigt die
Konzentration von Wasserstoffperoxid bis zu einem gegebenen Gleichgewichtswert. Durch das Zuführen und Erneuern von Luft und Wasser in geeignetem Verhältnis wird aus dem geschlossenen Reaktor ein Durchflussreaktor.
Im einfachsten Fall kann sogar die Pumpe entfallen. Das Fördermittel bildet sich somit alleine durch den Leistungseintrag der Entladung aus, so dass eine
Konvektionsströmung in der Kammer angetrieben wird.
Eine Rezirkulationsweiche ist zwischen dem Plasmasystem und der Kammer vorgesehen. Die Rezirkulationsweiche ist über eine Leitung fluide mit einem Ausgang des Plasmasystems bzw. der Entladungskammer verbunden. Ein erster Ausgang der Rezirkulationsweiche ist fluide mit dem Zirkulationsmassenstrom und ein zweiter Ausgang der Rezirkulationsweiche über eine Leitung fluide mit der Kammer
verbunden.
Ein Einlass der Entladungskammer ist dem Plasmasystem fluide zugeordnet, so dass dem Plasmasystem ein Eingangsmassenstrom zuführbar ist. Bei dem Plasmasystem kann das Verhältnis aus frisch zugeführten Medien (Eingangsmassenstrom) und zurückgeführten Produkten (Rezirkulationsverhältnis) eingestellt werden. Hierzu ist eine Steuer- und Messeinheit vorgesehen. Das Rezirkulationsverhältnis liegt zwischen 1 :10 und 10:1 , typischerweise aber bei 1 :3. Zur Einstellung des
Rezirkulationsverhältnisses ist, gemäß einer möglichen Ausführungsform, eine
Rezirkulationsweiche zwischen dem Plasmasystem und der Kammer vorgesehen.
Zur Temperaturüberwachung und/oder Temperatureinstellung kann eine
Wärmequelle/Wärmesenke dem Plasmasystem zugeordnet sein. Ebenso kann zur Temperaturüberwachung und/oder Temperatureinstellung der Kammer eine
Wärmequelle/Wärmesenke zugeordnet sein. Zusätzlich kann der Kammer ein
Kondensatabscheider zugeordnet sein. Zur Zuführung von Substanzen in die Entladungskammer des Plasmasystems kann eine Mischkammer fluide über den Einlass mit dem Plasmasystem verbunden sein. Die Mischkammer kann als Verdampfer oder Befeuchter ausgelegt sein. Der
Mischkammer kann auch eine Wärmequelle/Wärmesenke zugeordnet sein. Die Mischkammer selbst ist über eine erste Zuleitung mit mindestens einer Dosiereinheit und über eine zweite Zuleitung mit dem Fördermittel verbunden. Die aus den
Dosiereinheiten frisch zugeführten Substanzen können Prozessgas, z. B. Luft oder befeuchtete Luft, sein. Als zusätzliches Prozessgas kann z. B. Wasserdampf oder Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder ein organischer Dampf eingesetzt werden.
Zur Prozessführung ist der Anordnung eine Steuer-und Messeinheit zugeordnet, die kommunikativ mit Elementen der Anordnung verbunden ist. Elemente der Anordnung sind z. B. die Spannungsquelle, die Rezirkulationsweiche, die Kammer, das
Plasmasystem, das Fördermittel, die Mischkammer, die Wärmequellen/Wärmesenken oder die mindestens ein Dosiereinheit.
Die in der Vorrichtung zur Dekontamination bzw. Sterilisation verwendeten
Wärmequellen oder Wärmesenken können auf verschiedene Weise realisiert werden. So kann z. B. der Plasmaprozess bzw. die Entladungskammer selbst eine
Wärmequelle sein. Die damit gewonnene Wärme kann dazu genutzt werden eine flüssige Komponente zu verdampfen. Der Verdampfungsprozess ist folglich eine Wärmesenke. Dieser Zusammenhang hat den Vorteil, dass die Entladungskammer bzw. der Plasmareaktor durch die Verdampfung gekühlt wird. Ebenso braucht keine zusätzliche Heizleistung zum Verdampfen eines flüssigen Mediums (z. B. Wasser) aufgewendet werden. In analoger Weise kann dieses Prinzip auch bei der
Wärmequelle/Wärmesenke der Mischkammer und/oder der
Wärmequelle/Wärmesenke der Rezirkulationsweiche und/oder
Wärmequelle/Wärmesenke der Kammer selbst angewendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Dekontamination von Objekten, zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
• dass eine Entladungskammer eines Plasmasystems über eine Leitung mit einem Gasgemisch aus mindestens einer Mischkammer beschickt wird; • dass in der Entladungskammer des Plasmasystems eine Entladung mit dem Gasgemisch gezündet wird;
• dass aus der Entladungskammer einer Kammer über Leitungen ein
Wirkmassenstrom zugeführt wird; · dass mit einem Fördermittel in einer zweiten Zuleitung ein
Rezirkulationsmassenstrom von der Kammer zu der Mischkammer geführt und über die Entladungskammer des Plasmasystems der Kammer erneut zugeführt wird, so dass ein die Entladungskammer verlassender Wirkmassenstrom eine erhöhte Konzentration an reaktiven Stoffe besitzt; und · dass eine Steuer- und Messeinheit zur Prozessführung zumindest eine
Spannungsquelle der Entladungskammer des Plasmasystems, die
Mischkammer und das Fördermittel steuert und zumindest von der
Entladungskammer des Plasmasystem, der Mischkammer und dem Fördermittel Daten erhebt, die zur Steuerung der Prozessführung beitragen. Der Mischkammer wird aus mindestens einer Dosiereinheit über eine erste Zuleitung ein gegebenes Gemisch aus frischen Substanzen und über die zweite Zuleitung vom Fördermittel der Rezirkulationsmassenstrom zugeführt.
Aus der Entladungskammer des Plasmasystems wird ein Ausgangsmassenstrom einer Rezirkulationsweiche zugeführt, wobei die Rezirkulationsweiche den
Ausgangsmassenstrom in einen Wirkmassenstrom und den
Rezirkulationsmassenstrom aufteilt. Mittels der Steuer- und Messeinheit wird die Rezirkulationsweiche überwacht und in Abhängigkeit von der Prozessführung geregelt.
Mittels der Steuer- und Messeinheit wird die Temperatur in der Mischkammer, des Plasmasystems bzw. der Entladungskammer und der Kammer überwacht und in Abhängigkeit von der Prozessführung geregelt. Mittels der Steuer- und Messeinheit wird eine Spannungsquelle des Plasmasystems bzw. der Entladungskammer überwacht und geregelt. Ebenfalls werden mittels der Steuer- und Messeinheit die Mischkammer und die Kammer überwacht und geregelt. Die erfindungsgemäße Anordnung kann zur Dekontamination bzw. zum Sterilisieren von Objekten, zum Reinigen von Objekten, zum Abbau von schädlichen Substanzen und zum Abbau von schädlichen Substanzen, wie z. B. organischer Dämpfe, verwendet werden.
Objekte, Oberflächen oder auch organische gasförmige Spezies werden, sobald Sie in den Ausgangsstrom oder den Rezirkulationsstrom des Reaktors gebracht werden, einem sehr aggressiven und oxidierenden Regime ausgesetzt. Bei festen Objekten kann es je nach Prozessführung und Temperatur des Objektes zu einer Kondensation auf der Objektoberfläche kommen. In diesem Kondensatfilm herrschen hohe
Konzentrationen von H2O2 und ein niedriger pH-Wert. Solche Bedingungen sind bekannt dafür Keime abzutöten und organische Substanzen zu oxidieren. Ebenso wird dies in der Medizintechnik und Lebensmitteltechnologie zur Dekontamination bzw. zum Sterilisieren eingesetzt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird Luft und Wasserdampf in geeigneter Weise durch eine Entladekammer (dielektrische Barrierenentladung) des Plasmasystems geleitet. Dabei entstehen neben kurzlebigen Produkten (Ionen, Radikale, hochangeregte Moleküle) verschiedene stabile Spezies, wie z. B.
Stickoxide, Ozon und Wasserstoffperoxid. Durch die Rezirkulation (Pumpen des Ausgangs der Entladungskammer des Plasmasystems zum Eingang der
Entladungskammer des Plasmasystems) steigen die Ozonkonzentration und die Konzentration von Wasserstoffperoxid an. Der pH-Wert im Kondensat sinkt in den sauren Bereich. Durch Rezirkulation werden bei einer gegebenen Ausgangsmenge von Wasser und Luft hohe Konzentrationen von stark oxidierenden Spezies und ein Säuregrad erreicht, der bei einem singulären Durchgang durch die Entladungskammer der Plasmasystems nicht erreicht werden kann. Dieser in sich geschlossene Kreislauf kann durch Nachdosierung von Luft und Wasser und durch Auslass eines Teils des Massenstroms am Ausgang des Plasmasystems bzw. der Kammer geöffnet und so kontinuierlich betrieben werden.
Definition
Dekontamination, im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, ist das
Entfernen von gefährlichen oder schädlichen Verunreinigungen (Kontaminationen) von Objekten, wie z. B. Lebensmitteln, Kleidungsstücken, Böden, Festkörpern, Flüssigkeiten.
Die schädlichen Verunreinigungen können dabei chemischer oder biologischer Natur sein. Unter den Begriff der schädlichen Verunreinigungen kann man Keime, Sporen, Pilze, Mikroorganismen aller Art (Viren, Bakterien, Pilze, Sporen, primitive Parasiten) sowie organische Schadstoffe, giftige organische Verbindungen oder Gifte verstehen. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die obige Aufzählung nicht abschließend ist.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der
Erfindung, wobei im einfachsten Fall die Entladung innerhalb der Kammer mit dem zu behandelnden Objekt brennt;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei das Plasmasystem als Durchflussreaktor ausgestaltet ist; Figur 3 eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei das Plasmasystem als Durchflussreaktor ausgestaltet ist und die Kammer vom Plasmasystem räumlich getrennt ist; und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Durchführung eines Verfahrens zur Dekontamination bzw. Sterilisation von mindestens einem Objekt.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische
Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figuren erforderlich sind. Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 zur Dekontamination bzw. Sterilisation von
mindestens einem Objekt 4. Im einfachsten Fall kann die Anordnung 1 , wie hier angedeutet, aus einer Kammer 6 bestehen, in der eine Entladung 9 brennt. Die Entladung 9 brennt in einem Plasmasystem 11 , das innerhalb der Kammer 6 angeordnet ist. Ebenso befindet sich in der Kammer 6 das mindestens eine zu sterilisierende Objekt 4. Der Kammer 6 ist ein Einlass 7 zugeordnet, über den ein Eingangsmassenstrom 7E in die Kammer 6 verbracht werden kann. Ferner ist der Kammer 6 ein Auslass 8 zugeordnet, mittels dem ein Wirkmassenstrom 8W aus der Kammer 6 abtransportiert werden kann. Innerhalb der Kammer 6 wird ein
Zirkulationsmassenstrom 19 ausgebildet, der über das Plasmasystem 11 und das zu sterilisierende Objekt 4 führt. Der Zirkulationsmassenstrom 19 kann in der Kammer 6 über ein Fördermittel 12 eingestellt werden. Das Fördermittel 12 kann eine Pumpe oder ein Umluftgebläse sein. Der Zirkulationsmassenstrom 19 wird durch das
Fördermittel immer über das Plasmasystem 11 geführt, um die Anteile der reaktiven Stoffe für die Dekontamination bzw. Sterilisation des Objekts 4 zu erhöhen. Ebenso kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Zirkulationsmassenstrom 19 über Konvektion aufrechterhalten werden. Flierzu ist die Kammer 6 im Innern derart ausgestaltet, dass sich eine gleichmäßige Konvektion ausbildet. Mittels der
Konvektion oder dem Fördermittel 12 ist sichergestellt, dass ein
Zirkulationsmassenstrom 19 mit reaktiven Stoffen nicht nur das zu dekontaminierende bzw. sterilisierende Objekt 4 erreicht, sondern auch der Anteil der reaktiven Stoffe pro Volumeneinheit erhöht. Das Plasmasystem 11 besitzt gemäß den baulichen
Gegebenheiten eine bestimmte Länge, entlang der dem Zirkulationsmassenstrom 19 reaktiven Stoffe aufgeprägt werden können. Die bei einem einmaligen Durchlauf durch das Plasmasystem 11 erzielbare Konzentration reicht nicht aus um einer effektive Dekontamination der Objekte 4 durchzuführen. Mittels mehrfachen Durchlaufs durch das Plasmasystem 11 kann die Konzentration an reaktiven Stoffen gesteigert werden.
Innerhalb einer bestimmten Zeit stellt sich bei festgehaltenen Randbedingungen ein Gleichgewicht der Konzentrationen der reaktiven Stoffe ein. Koexistieren in der Kammer 6 eine flüssige/wässrige Phase und eine gasförmige Phase (Luft), sinkt in der wässrigen Phase der pH-Wert in den sauren Bereich und die Konzentration von Wasserstoffperoxid steigt bis zu einem gegebenen Gleichgewichtswert. Durch Zuführen von Luft und Wasser in geeignetem Verhältnis über den Einlass 7 wird aus der Kammer 6 (geschlossener Reaktor) ein Durchflussreaktor.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei das Plasmasystem 11 als Durchflussreaktor ausgestaltet ist und das Plasmasystem 11 von der Kammer 6 (hier nicht dargestellt) räumlich getrennt ist. Dem Plasmasystem 1 1 der Anordnung 1 kann mindestens ein Gemisch aus verschiedenen initialen fluiden und gasförmigen Komponenten zugeführt werden. Bei der in Figur 2 beschriebenen Darstellung ist eine einzige Dosiereinheit 23i vorgesehen, die mit einer Mischkammer 16 über eine erste Zuleitung 25 verbunden ist. Ferner ist die
Mischkammer 16 über eine zweite Zuleitung 27 mit dem Fördermittel 12 verbunden. Obwohl bei der hier dargestellten Ausführungsform nur eine einzige Dosiereinheit 23i dargestellt ist, soll dies nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Wie anhand der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ersichtlich ist, können mehr als eine Dosiereinheit 23i, 232, ...23N der Mischkammer 16 zugeordnet sein.
Das Plasmasystem 11 besteht aus einer Spannungsquelle 2, die mit einer
Entladungskammer 17 verbunden ist. Die Entladungskammer 17 ist mit einer
Masseverbindung 3 verbunden. In der Entladungskammer 17 ist eine Entladungszone 18 ausgebildet, innerhalb der die reaktiven Spezies gebildet werden. Die Länge L der Entladungskammer 17 ist entscheidend für die Ausbildung des Anteils bzw. die Konzentration der reaktiven Stoffe, des die Entladungskammer 17 verlassenden Gemisches.
Aus der Mischkammer 16 kann über eine Leitung 24 einem Einlass 7 des
Plasmasystem 11 bzw. der Entladungskammer 17 ein Gas- bzw. Stoffgemisch zugeführt werden. In der Entladungszone 18 der Entladungskammer 17 zündet eine Gasentladung. Je nach Intensität der Gasentladung, der Gaszusammensetzung und weiteren Prozessparametern, wie Durchflussrate, Temperatur oder Druck, entsteht eine konstante Zusammensetzung von Produkten (reaktive Stoffe) mit
unterschiedlicher Lebensdauer und Reaktivität, die auf das Objekt 4 einwirken.
Der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 ist eine Rezirkulationsweiche 5 nachgeordnet. Die Rezirkulationsweiche 5 ist fluide mit einem Ausgang 13 der
Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 verbunden. Ein erster Ausgang 14 der Rezirkulationsweiche 5 ist fluide mit dem Zirkulationsmassenstrom 19 verbunden. Ein zweiter Ausgang 15 der Rezirkulationsweiche 5 ist fluide über eine Leitung 28 mit der Kammer 6 (hier nicht dargestellt) verbunden. Durch die Rückführung des
Zirkulationsmassenstroms 19 in die Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 kann die Konzentration der reaktiven Stoffe schrittweise erhöht werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 ist als Durchflussreaktor ausgestaltet. Die Kammer 6 für die Behandlung der Objekte 4 ist von der
Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 räumlich getrennt. Von der Kammer 6 mit dem Objekt 4 wird über den Auslass 8 ein Wirkmassenstrom 8W an die
Umgebung abgegeben und die Kammer 6 wird von reaktiven Stoffen durchströmt.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind drei Dosiereinheiten 23i, 232, und 23z mit der Mischkammer 16 verbunden. Dabei kann die Temperatur in der Mischkammer 16 über eine Wärmesenke/Wärmequelle 30 eingestellt werden. Aus der Mischkammer 16 wird der Eingangsmassenstrom 7E dem Einlass 7 der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 zugeführt. Ebenso kann der Plasmaprozess (erzeugen von
Plasma in der Entladungskammer 17) selbst eine Wärmequelle 30 sein, der dazu genutzt wird, eine flüssige Komponente, die von mindestens einer der Dosiereinheiten 23i, 232, und 23z zugeführt wird, in der Mischkammer 16 zu verdampfen. Dabei wäre dann der Verdampfungsprozess in der Mischkammer 16 eine Wärmesenke 30. Dieser Zusammenhang hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche Heizleistung ein flüssiges Medium (z. B. Wasser bzw. Kondensat aus dem Rezirkulationsprozess) verdampft werden kann.
Typischerweise wird die Entladung in der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 durch eine elektrische Anregung erzeugt, die über die Spannungsquelle 2 des Plasmasystems 11 gespeist wird. Zur Prozessführung kann die Entladungskammer 17 mittels einer Wärmequelle/Wärmesenke 20 beheizt oder gekühlt werden.
Insbesondere kann der Plasmaprozess in der Entladungskammer 17 selbst eine Wärmequelle 20 sein, der dazu genutzt wird eine flüssige Komponente zu
verdampfen. Dabei wäre dann der Verdampfungsprozess eine Wärmesenke 20.
Dieser Zusammenhang hat den Vorteil, dass die Entladungskammer 17 durch
Verdampfung gekühlt wird und ohne zusätzliche Heizleistung ein flüssiges Medium (z. B. Wasser) verdampft werden kann. Der Ausgang 13 der Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 wird über eine Leitung 26 der Rezirkulationsweiche 5 zugeführt. Über eine zweite Leitung 27 und das Fördermittel 12 kann ein
Rezirkulationsmassenstrom 19 von der Kammer 6 und der Rezirkulationsweiche 5 an die Mischkammer 16 zurückgeführt geführt werden.
Dabei hängt der Rezirkulationsmassenstrom 19 und damit das
Rezirkulationsverhältnis von der Leistung des Fördermittels 12, der Einstellung der Rezirkulationsweiche 5 und den Einstellungen an den Dosiereinheiten 23i, 232, und 233 ab. Der zweite Ausgang 15 der Rezirkulationsweiche 5 ist fluide über eine Leitung 28 mit der Kammer 6 verbunden, in der sich das zu behandelnde Objekt 4 befindet.
Die Kammer 6 kann optional über eine Wärmequelle/Wärmesenke 21 auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Falls erforderlich, kann ein Teil des
Wirkgases und des Kondensates aus der Kammer 6 über einen Kondensatabscheider 22 in den Zirkulationsmassenstrom 19 eingeschleust werden. Die Kammer 6 wird über den Auslass 8 zur Umgebung hin durchströmt.
Zur Prozessführung ist eine Steuer-und Messeinheit 50 vorgesehen, die kommunikativ (drahtgebunden und/oder drahtlos) mit den Elementen der Anordnung 1 , wie z. B. der Spannungsquelle 2, der Rezirkulationsweiche 5, der Kammer 6, dem Plasmasystem 11 , dem Fördermittel 12, der Mischkammer 16, den Wärmequellen/Wärmesenken 20, 21 oder der mindestens einen Dosiereinheit 23i, 232, ... ,23N verbunden sein kann. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die vorstehende Auszählung nicht abschließend ist. Je nach Bedarf können Elemente der Anordnung 1 hinzugeschaltet oder weggeschaltet werden.
Ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 4 dargestellt. Gemäß der Erfindung wird ein Plasmasystem 11 bzw. eine
Entladungskammer 17 (Durchflussreaktor) zumindest mit einem Gasgemisch bzw. Gemisch aus der mindestens einen Mischkammer 16 beschickt. In der
Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 wird eine Entladung gezündet. Je nach Intensität der Gasentladung, der Gaszusammensetzung und weiterer
Prozessparameter, wie z. B. Durchflussrate, Temperatur oder Druck, ergibt sich eine konstante Zusammensetzung von Stoffen (Produkten) mit unterschiedlicher
Lebensdauer und Reaktivität. Ein gegebenes Gemisch aus verschiedenen initialen fluiden und gasförmigen
Komponenten aus verschiedenen Dosiereinheiten 23i, 232, ... ,23N wird mit einer Mischkammer 16 aufbereitet. Dabei kann die Temperatur in der Mischkammer 16 über eine Wärmesenke/Wärmequelle 30 eingestellt werden. Der Eingangsmassenstrom 7E wird in die Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 eingespeist. In der
Entladungskammer 17 des Plasmasystems 11 brennen in der Entladungszone 18 die Entladungen. Typischerweise wird die Entladung durch eine elektrische Anregung erzeugt, die über die Spannungsquelle 2 gespeist wird. Zur Prozessführung kann das Plasmasystem 11 bzw. die Entladungskammer 17 beheizt oder gekühlt werden.
Bevorzugt wird die elektrische Entladung in der Entladungskammer 17 mittels mindestens eines piezoelektrischen Transformators 40 gezündet. Die Funktionsweise eines piezoelektrischen ist hinlänglich bekannt und braucht hier nicht noch einmal erläutert werden.
Der Ausgangsmassenstrom 13A wird über die Rezirkulationsweiche 5 und teilweise über ein Fördermittel 12 an die Mischkammer 16 zurückgeführt. Dabei hängt der Rezirkulationsmassenstrom 19 und damit das Rezirkulationsverhältnis von der
Leistung des Fördermittels 12, der Einstellung der Rezirkulationsweiche 5 und den Einstellungen der Dosiereinheiten 23i, 232, ... ,23N ab. Der Wirkmassenstrom 15W tritt vom zweiten Ausgang 15 der Rezirkulationsweiche 5 in eine Kammer 6 ein, in der sich das zu behandelnde Objekt 4 befindet. Die Kammer 6 kann optional über eine
Wärmequelle/Wärmesenke 22 auf einer konstanten Temperatur gehalten werden.
Falls erforderlich, kann ein Teil des Wirkgases und des Kondensates über einen Kondensatabscheider 22 in den Rezirkulationsmassenstrom 19 eingeschleust werden. Über einen Auslass 8 kann ein Wirkmassenstrom 8W an die Umgebung abgegeben werden.
Durch die Steuer- und Messeinheit 50 und das Prinzip der Rezirkulation kann die Ausbeute der in der Entladungskammer 17 der Plasmasystems 11 erzeugten reaktiven Spezies erheblich gesteigert werden. Die Zusammensetzung des
Gemisches kann mittels der Mischkammer 16 in einem weiten Bereich eingestellt werden. Wird als Entladungstyp eine dielektrische Barriere-Entladung
(piezoelektrischer Transformator 40) eingesetzt, kann die Leistung der dielektrischen Barriere-Entladungsvorrichtung niedrig gehalten werden. Die Erfindung wurde in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden
Schutzansprüche zu verlassen.
Bezuqszeichenliste
1 Anordnung
2 Spannungsquelle
3 Masseverbindung
4 Objekt
5 Rezirkulationsweiche
6 Kammer
7 Einlass
7E Eingangsmassenstrom
8 Auslass
8W Wirkmassenstrom
9 Entladung
11 Plasmasystem
12 Fördermittel
13 Ausgang
13A Ausgangsmassenstrom
14 erster Ausgang
15 zweiter Ausgang
15W Wirkmassenstrom
16 Mischkammer
17 Entladungskammer
18 Entladungszone
19 Zirkulationsmassenstrom / Rezirkulationsmassenstrom
20 Wärmequelle/Wärmesenke
21 Wärmequelle/Wärmesenke
22 Kondensatabscheider
23i, 232I ... ,23N Dosiereinheit
24 Leitung
25 erste Zuleitung
26 Leitung
27 zweite Zuleitung
28 Leitung 30 Wärmesenke/Wärmequelle 40 piezoelektrischer Transformator 50 Steuer- und Messeinheit
L Länge

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (1 ) zur Dekontamination bzw. Sterilisation von mindestens einem Objekt (4), umfassend eine Kammer (6), in der das mindestens eine Objekt (4) vorgesehen ist und ein Plasmasystem (11 ), das fluide mit der Kammer (6) verbunden ist,
gekennzeichnet durch:
• eine Mischkammer (16), die dem Plasmasystem (11 ) vorgeordnet und über eine Leitung (24) mit einem Einlass (7) einer Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ) verbunden ist, so dass der Entladungskammer (17) der Plasmasystems (11 ) ein Eingangsmassenstrom (7E) zuführbar ist; und
• ein Fördermittel (12), das in einer zweiten Zuleitung (27) aus der Kammer (6) zu der Mischkammer (16) angeordnet ist, um einen Zirkulationsmassenstrom (19) aus der Kammer (6) zurück zur Mischkammer (16) zu führen.
2. Anordnung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei eine Rezirkulationsweiche (5) zwischen dem Plasmasystem (11 ) und der Kammer (6) vorgesehen ist, und wobei die Rezirkulationsweiche (5) über eine Leitung (26) fluide mit einem Ausgang (13) des Plasmasystems (11 ), ein erster Ausgang (14) der Rezirkulationsweiche (5) fluide mit dem Zirkulationsmassenstrom (19) und ein zweiter Ausgang (15) der Rezirkulationsweiche (5) über eine Leitung (28) fluide mit der Kammer (6) verbunden sind.
3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine
Wärmequelle/Wärmesenke (20) dem Plasmasystem (11 ) und/oder eine
Wärmequelle/Wärmesenke (21 ) der Kammer (6) zugeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei ein Kondensatabscheider (22) der Kammer (6) zugeordnet ist und die zweite Zuleitung (27) vom Kondensatabscheider (22) zur Mischkammer(16) führt.
5. Anordnung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Mischkammer (16) über eine erste Zuleitung (25) mit mindestens einer Dosiereinheit (23i, 232, ... ,23N) und über die zweite Zuleitung (27) mit dem Fördermittel (12) verbunden ist.
6. Anordnung (1 ) nach Anspruch 5, wobei der Mischkammer (16) eine
Wärmequelle/Wärmesenke (30) zugeordnet ist.
7. Anordnung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Steuer- und Messeinheit (50) vorgesehen ist, die kommunikativ zumindest mit einer Spannungsquelle (2) des Plasmasystems (1 1 ), der Rezirkulationsweiche (5), der Kammer (6), dem Fördermittel (12), der Mischkammer (16), den
Wärmequellen/Wärmesenken (20, 21 ) oder der mindestens einen Dosiereinheit (23i, 232, ... ,23N) verbunden ist.
8. Anordnung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Plasmasystem (11 ) eine Entladungskammer (17) umfasst, in der mindestens ein piezoelektrischer Transformator (40) vorgesehen ist, der mit der
Spannungsquelle (2) der Plasmasystems (11 ) zur Erzeugung von reaktiven Spezies verbunden ist.
9. Verfahren zur Dekontamination bzw. Sterilisation von Objekten (4),
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
• dass eine Entladungskammer (17) eines Plasmasystems (11 ) über eine
Leitung (24) mit einem Gasgemisch aus mindestens einer Mischkammer (16) beschickt wird;
• dass in der Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ) eine Entladung mit dem Gasgemisch gezündet wird;
• dass aus der Entladungskammer (17) einer Kammer (6) über Leitungen (26, 28) ein Wirkmassenstrom (15W) zugeführt wird;
• dass mit einem Fördermittel (12) in einer zweiten Zuleitung (27) ein
Rezirkulationsmassenstrom (19) von der Kammer (6) zu der Mischkammer (16) geführt und über die Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ) der Kammer (6) erneut zugeführt wird, so dass ein die Entladungskammer
(17) verlassender Wirkmassenstrom (15W) eine erhöhte Konzentration an reaktiven Stoffe besitzt; und
• dass eine Steuer- und Messeinheit (50) zur Prozessführung zumindest eine Spannungsquelle (2) der Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ), die Mischkammer (16) und das Fördermittel (12) steuert und zumindest von der Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ), der Mischkammer (16) und dem Fördermittel (12) Daten erhebt, die zur Steuerung der
Prozessführung herangezogen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Mischkammer (16) aus mindestens einer Dosiereineit (23i, 232, ... ,23N) über eine erste Zuleitung (25) ein vorgegebenes Gemisch und über die zweite Zuleitung (27) vom Fördermittel (12) den
Rezirkulationsmassenstrom (19) empfängt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei aus der
Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ) ein Ausgangsmassenstrom (13A) einer Rezirkulationsweiche (5) zugeführt wird, und wobei mit der
Rezirkulationsweiche (5) der Ausgangsmassenstrom (13A) in einen
Wirkmassenstrom (15W) und den Rezirkulationsmassenstrom (19) aufgeteilt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei mittels der Steuer- und Messeinheit (50) die Rezirkulationsweiche (5) überwacht und geregelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei mittels der Steuer- und Messeinheit (50) die Temperatur in der Mischkammer (16), in der
Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ) und der Kammer (6) überwacht und geregelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei in der Entladungskammer (17) des Plasmasystems (11 ) die Entladung mit dem aus der Mischkammer (16) zugeführten Gasgemisch mittels mindestens einem piezoelektrischen
Transformator (40) gezündet wird.
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