Fachhochschule Jena Fachbereich: SciTec Studiengang: Prozessintegrierter Umweltschutz Bachelorarbeit Entwicklung eines Prototyps zur Desinfektion und Geruchsneutralisierung mittels Ozonierung und Ionisation von Fußböden Eingereicht von: Tobias Jurk Am Anger 14 07743 Jena Matrikel-Nr.: 218185 Geburtsdatum: 09. August 1983 Mentor (Betrieb): Dr. Ing. Dipl. Bio. Mario Blei Hochschulbetreuer: Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schleicher Jena, den 23. Juli 2009
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Fachhochschule Jena
Fachbereich: SciTec
Studiengang: Prozessintegrierter Umweltschutz
Bachelorarbeit
Entwicklung eines Prototyps zur Desinfektion und Geruchsneutralisierung
mittels Ozonierung und Ionisation von Fußböden
Eingereicht von: Tobias Jurk
Am Anger 14
07743 Jena
Matrikel-Nr.: 218185
Geburtsdatum: 09. August 1983
Mentor (Betrieb): Dr. Ing. Dipl. Bio. Mario Blei
Hochschulbetreuer: Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schleicher
Abbildung 10: Anordnung der Komponenten während des Versuches ....................... 28
Abbildung 11: Darstellung der etablierten Schimmelpilze und Bakterien der
Grobspanplattenproben auf den Nährmedien MEA und DG 18 .......... 32
Abbildung 12: Darstellung der etablierten Schimmelpilze und Bakterien der
Gipskartonproben auf den Nährmedien MEA und DG 18................... 33
Abbildung 13: Darstellung der etablierten Schimmelpilze und Bakterien der
Polystyrolproben auf den Nährmedien MEA und DG 18 .................... 34
A b b i l d u n g s v e r z e i c h n i s V I
Abbildung 14: Darstellung des Keimverlaufs über den Zeitraum der
Versuchsdurchführung bei OSB........................................................... 36
Abbildung 15: Darstellung des Keimverlaufs über den Zeitraum der
Versuchsdurchführung bei Gipskarton................................................. 37
Abbildung 16: Darstellung des Keimverlaufs über den Zeitraum der
Versuchsdurchführung bei Polystyrol .................................................. 37
Abbildung 17: Darstellung der zusammengefassten Ionenmessung der beiden Modi
Ionisation und Ozonierung ................................................................... 59
A b k ü r z u n g s v e r z e i c h n i s V I I
Abkürzungsverzeichnis
c Konzentration
cm² Quadratzentimeter
cm³ Kubikzentimeter
EPA Environmental Protection Agency
eV Elektronenvolt
DG 18 Dichloran-Glycerol-Agar mit Chloremphenicol
h Stunde
h� Strahlungsenergie (h = Planck-Konstante; � = Frequenz des Lichtes)
K Kelvin
KBE Kolonie bildende Einheiten
l Liter
m Meter
m² Quadratmeter
m³ Kubikmeter
MEA Malzextrakt-Agar
nm Nanometer
NO Stickstoffmonoxid
NO2 Stickstoffdioxid
NTP nicht thermisches Plasma
O atomarer Sauerstoff
A b k ü r z u n g s v e r z e i c h n i s V I I I
O2 molekularer Sauerstoff
O3 Ozon
OSB oriented strand board
p Druck
Pa Pascal
pN Normaldruck
ppb parts per billion (µl/m³)
ppm parts per million (ml/m³)
Te Temperatur der Elektronen
Tg Temperatur des Neutralgases
Ti Temperatur der Ionen
UV ultraviolette Strahlung
VOC Volatile Organic Compounds
°C Grad Celsius
� Wellenlänge
µl Mikroliter
µ Ladungsträgerbeweglichkeit
E i n l e i t u n g 1
1 Einleitung
1.1 Einführung
Rohrbrüche, verursacht durch starke Kälte oder Materialermüdung, führen häufig zu
ungehindertem Wassereintritt in die Bausubstanz von Gebäuden. Oftmals sind betroffene
Häuser unbewohnt oder es kommt zu einer Fehleinschätzung des Schadens. In beiden
Fällen kann dies zu einem ungehinderten Wachstum und zur Ausbreitung des
Schimmelpilzes führen. Selbst in bewohnten Gebäuden wächst dieser oft unmerklich in
nicht zugänglichen Bereichen, wie zum Beispiel hinter Trockenbauwänden oder in der
Fußbodendämmung. Geruchsbelästigung durch flüchtige organische Verbindungen oder
Erkrankungen der Bewohner sind nicht selten Folgen der biologischen Kontamination.
Aus Kostengründen sind Unternehmen daran interessiert, Strategien zu entwickeln, die
eine günstige Alternative zum Austausch der betroffenen Bausubstanz bieten. Seit Jahren
findet deshalb eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Sanierungsmethoden bei
Pilzbefall statt. Ziel ist es, die Kosten einer Sanierung durch die Parameter Aufwand,
Personal und Materialeinsatz zu minimieren und zu optimieren. Durch die bereits
geleistete Entwicklungs- und Forschungsarbeit des Privatinstitutes für Innen-
raumtoxikologie – Dr. Blei GmbH, wurden auf diesem Gebiet schon erfolgs-
versprechende Erfahrungen bezüglich einer Sanierungsvariante mittels nicht thermischen
Plasmas (NTP) gesammelt. Durch die positiven Ergebnisse vorhergehender
Untersuchungen und das wachsende Marktpotenzial auf dem Markt der Sanierungs-
technik, wird eine weitere Intensivierung der Forschung in dieser Sparte angestrebt.
1.2 Aufgabenstellung
Die durch das eingetretene Wasser hervorgerufene Schimmelpilzkontamination in der
Fußbodendämmung, soll durch die Injektion von NTP beseitigt werden. Dazu wurde der
Prototyp einer Anlage entwickelt, die es gestattet, Luft energetisch anzureichern und
zwischen Ozonierung und Ionisierung umzuschalten. Hohe Ozonkonzentrationen sollen
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 2
einen raschen Sanierungsverlauf in unbewohnten Räumen gewährleisten. In bewohnten
Gebäudeteilen wird der Einsatz ionisierter Luft favorisiert.
Ausbreitung und Wirkung des NTP’s in den behandelten Bereichen, sind zu untersuchen.
Darüber hinaus soll festgestellt werden, welche Behandlungsdauer für eine erfolgreiche
Beseitigung der biologischen Kontamination benötigt wird.
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Grundlagen Plasma
Der Begriff „Plasma“ wurde im Jahre 1928 von dem US-amerikanischen
Nobelpreisträger Irving Langmuir geprägt und bedeutet „das Geformte“ oder „das
Gebildete“. In Erscheinung tritt es als Polarlicht, in Sternen sowie als Schweif von
Kometen und in Gewitterblitzen [1]. Als Plasma wird ein teilweise oder vollständig
ionisiertes Gas bezeichnet, das einen erheblichen Anteil an freien Ladungsträgern mit
einer hohen mittleren kinetischen Energie aufweist [2]. Durch die Ionisation werden
grundlegende physikalische Eigenschaften der Gase verändert. Daher wird Plasma auch
als vierter Aggregatzustand der Materie bezeichnet. Eine klare Grenze zwischen den
Zuständen Gas und Plasma kann jedoch nicht gezogen werden. Aufgrund ihrer hohen
Dichte an negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen gelten Plasmen als
sehr gute elektrische Leiter mit magnetischen Eigenschaften, ähnlich denen eines Metalls.
Da die Summe der positiven und negativen Ladungen stets gleich ist, sind Plasmen
quasineutral [3].
2.1.1 Kategorisierung der Plasmen
Die unterschiedlichen Plasmen mit ihren unterschiedlichen Erscheinungsformen, besitzen
stark variierende physikalische Eigenschaften und überdecken je nach Vorkommen in
ihrer Dichte und Temperatur viele Größenordnungen. Sie werden anhand ihrer Dichte,
dem thermischen Gleichgewicht und ihres Ionisierungsgrades klassifiziert. Die genannten
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 3
drei Parameter Korrelieren miteinander. Die in der Literatur am häufigsten angetroffene
Klassifizierung unterscheidet zwischen isothermen und nichtisothermen Plasmen. Die
Kategorisierung erfolgt über die Temperatur. Anhand des Ionisierungsgrades lässt sich
eine Aussage über den Anteil der Gasatome treffen, die bei ihrer Ionisierung Elektronen
abgeben. Bei der Dichte wird zwischen Niederdruck, Atmosphärendruck oder
Hochdruckplasma unterschieden. Der Hintergrund wird im Folgenden genauer erläutert.
Bei der Betrachtung des thermischen Gleichgewichts stehen die Temperaturunterschiede
der einzelnen Plasmabestandteile im Vordergrund. In der Abbildung 1 werden die
Zusammenhänge vom Gasdruck und der Temperatur dargestellt [4].
1,0E+02
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Druck in Pascal
Tem
pera
tur
in K
elv
in
Abbildung 1: Logarithmische Darstellung der Temperatur der Elektronen Te, der Ionen Ti und der Neutralgases Tg als Funktion des Gasdrucks p [5].
Zu den nicht thermischen Plasmaverfahren gehören die sogenannten
Niederdruckplasmen oder auch Nichtgleichgewichtsplasmen, bei deren Genese Gase
verwendet werden, deren Druck signifikant unter dem Atmosphärendruck liegt. Durch die
verminderte Teilchendichte und dem daraus resultierenden erhöhten Atomabstand, sind
bei diesen Gasen wesentlich weniger zwischenmolekulare Wechselwirkungen in Form
von Stoßprozessen festzustellen. Die Ionisierung dieser Gase erfolgt durch das gezielte
Anlegen von Energie in Form von elektrischer Spannung, elektromagnetischer Strahlung
nichtisotherm isotherm
Te
Ti ~ Tg
Te ~ Ti ~ Tg
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 4
oder energiereicher Teilchenstrahlung. Aufgrund von geringerer Größe und kleinerem
Gewicht, nehmen die Elektronen hierbei wesentlich mehr Energie als die schweren Ionen
und Neutralteilchen auf (Te >> Tg ~ Ti). Die Temperatur dieser Teilchen ändert sich kaum,
während sich Elektronen bei diesem Prozess auf einige Elektronenvolt (mehrere 10.000K)
aufheizen. Infolge des entstehenden thermischen Ungleichgewichts, ist die im Plasma
gemessene Temperatur entsprechend gering. Verwendung findet diese Art von Plasma,
vor allem bei der Behandlung thermisch sensibler Materialien. Einsatzgebiete in der
Industrie sind die Plasmasterilisation und –reinigung sowie das Plasmaätzen [6].
Ebenfalls zu den Niedertemperaturplasmen zählt das Atmosphärendruckplasma. Die
Genese des Atmosphärendruckplasmas erfolgt bei einem Druck, der nicht mehr als 2·104
Pa vom Atmosphärendruck (pN=1,013 ·105 bei 20°C) abweicht. Im Vergleich zum
Niederdruckplasma steigt der Grad der atomaren Wechselwirkungen aufgrund der
höheren Gasdichte. Die Zahl der Teilchenkollisionen steigt an und ermöglicht einen
verbesserten Energieaustausch. Ursache ist die verringerte mittlere freie Weglänge.
Atmosphärendruckplasmen besitzen Temperaturen zwischen 20 und 300°C.
Hochdruckplasma oder auch Gleichgewichtsplasma verfügt über eine hohe
Ladungsträgerdichte. Das Druckniveau liegt signifikant über dem Atmosphärendruck.
Qualitativ und quantitativ ausgeprägte Stoßprozesse ermöglichen einen exzellenten
Energieaustausch zwischen den Teilchen. Infolge dessen fällt die Temperatur der
Elektronen, während die Temperatur der Ionen und Neutralteilchen steigt. Dies geschieht
bis zu dem Punkt des thermischen Gleichgewichts, an dem sich die Temperaturen der
Plasmakomponenten angeglichen haben (Te ~ Ti ~ Tg). Der Energieeintrag beim
Hochdruckplasma findet meist durch Kompression, chemische Prozesse,
Lasereinkopplungen oder elektrischen Strom statt [8].
Die Bedingungen unter denen ein Plasma entsteht, entscheiden über dessen Charakter.
Abbildung 2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Beschaffenheit eines
Plasmas und dem Ort des Vorkommens.
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 5
2.1.2 Verwendung von Plasmen
Plasmen weisen eine große Bandbreite möglicher spezifischer Eigenschaften auf.
Dadurch eröffnet sich ein breites Feld potenzieller Einsatzmöglichkeiten.
Die moderne Plasmatechnologie hat in einer Vielzahl von Branchen Einzug gehalten. Zu
den bedeutendsten zählen der Automobil- und der Maschinenbau, ebenso wie die
Lebensmittelindustrie. Unentbehrlich ist der Einsatz von Plasma in der Medizintechnik,
der chemischen Industrie sowie in der Rundfunk- und Nachrichtenbranche. Als
chemiefreie und kostengünstige Alternative tritt Plasma in diesen Bereichen nicht selten
in Konkurrenz zu einer Vielzahl konventioneller Verfahren.
Plasmatechnik wird zur Schlüsseltechnologie, da ohne den Einsatz von Plasma viele
technische Prozesse überhaupt nicht möglich wären. Produkte wie Analysegeräte,
Mikrochips, Scheinwerferspiegel oder das kleine Besteckkörbchen aus der Spülmaschine
sind Erzeugnisse moderner Plasmatechnologie. Auch auf dem Weg der Miniaturisierung
Abbildung 2: Die logarithmische dargestellte Grafik gibt einen Überblick über die Plasmaarten sowie ihrer Para- meter Elektronentemperatur(Te) und Elektronendichte (ne) [8].
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 6
ist der Einsatz plasmabasierender Prozesstechnik alternativlos. Unabdingbar ist daher die
Intensivierung der Plasmaforschung und –entwicklung, um die ständig steigenden
Ansprüche an diese Technologie zu erfüllen.
2.2 Wirkmechanismen während der Plasmabehandlung
Ziel dieser Arbeit ist es, die desinfizierenden Eigenschaften eines Plasmas zu nutzen.
Abbildung 3 fasst die Wirkmechanismen zusammen, die zur keimtötenden Wirkung eines
nicht thermischen Plasmas beitragen.
Zum einen ist die kinetische Energie der energiereichen Elektronen von großer
Bedeutung für die Keimtötung. Desweiteren kommt es zum sogenannten physikalischen
Ätzen durch Ionenbeschuss mit energiereichen Ionen, bei der die Teilchenenergie
maßgebend ist. Die bei der Plasmabildung entstehende UV-Strahlung trägt ebenfalls zur
Desinfektion von Mikroorganismen und Spaltungen chemischer Verbindungen bei. Die
von Forschergruppen als ausschlaggebend eingestufte Eigenschaft bei der
Plasmadesinfektion, ist die Bildung chemisch aktiver Spezien. Das sogenannte chemische
Ätzen betrifft besonders die Elemente Fluor und Sauerstoff, die sich in der
Halbleiterindusrie bereits seit Jahren etabliert haben und durch ihre chemisch aggressive
Wirkung bei Reinigungs- und Ätzprozessen verwendet werden [6].
Abbildung 3: Auftretende Wirkmechanismen bei der Desinfektion bzw. Inaktivierung von Mikroorganismen durch nicht thermisches Plasma [7].
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 7
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 8
2.3 Grundlagen Ozon
Im Jahre 1940 stieß der deutsche Chemiker Christian Friedrich Schönbein (1799 – 1868)
bei der Elektrolyse einer verdünnten Säure auf ein scharf riechendes Gas. Ethmylogisch
hergeleitet aus dem griechischen „ozein“ für riechen, ist Ozon eine allotrope und
metastabile Verbindung aus drei Sauerstoffatomen. Etwa 90% der natürlichen
Ozonvorkommen befinden sich in der Stratosphäre, 10 bis 50 km über dem
Meeresspiegel. Durch die Absorption kurzwelliger UV-Strahlung fungiert Ozon dort als
natürlicher Schutzschild der Erde. Die Genese des farblosen Gases in diesen Höhen ist
auf komplexe photochemische Prozesse zurückzuführen, bei denen Sauerstoffmoleküle
durch energiereiches kurzwelliges Sonnenlicht (� < 242,4nm) dissoziiert werden.
(Gleichung 1) Durch die Anlagerung der dabei entstandenen freien Sauerstoffatome an
undissoziierte Sauerstoffmoleküle wird schließlich Ozon gebildet. (Gleichung 2) [10].
(1) O2 + h� � O + O
(2) O + O2 � O3
Die Ozonvorkommen in den Luftschichten unterhalb von 10 Kilometern generieren sich
hingegen überwiegend aus anthropogenen Quellen. Als wesentlicher Bestandteil von
Kraftwerks- und Fahrzeugabgasen, gilt Stickstoffdioxid dabei als Vorläufersubstanz mit
dem höchsten Ozonbildungspozential. Durch Photodissoziation bei einer Wellenlänge
von � < 400nm wird Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid konvertiert (Gleichung 3).
Das freigewordene Sauerstoffatom reagiert mit einem Sauerstoffmolekül zu Ozon
(Gleichung 2) [11].
(3) NO2 + h� � NO + O
Infolge geringerer Lichtintensität kommt der Prozess der Ozonneubildung am Abend und
der Nacht zum Erliegen. Aufgrund der Metastabilität des reizenden Gases nimmt der
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 9
Ozongehalt in der Luft dann rasch ab. Als primärer Reaktionspartner beim Zerfall des O3
dient Stickstoffmonoxid (Gleichung 4) [12].
(4) NO + O3 � NO2 + O2
Die Halbwertszeit von Ozon ist stark temperaturabhängig, bei Raumtemperatur liegt sie
zwischen 20 – 100 Stunden. Senkt man die Temperatur auf -15°C, erhöht sich die
Halbwertszeit auf 8 Tage [13].
2.3.1 Biologische Wirkung des Ozons
Ein leichtes Kribbeln in der Nase oder ein Kratzen im Hals sind Symptome geringer
Ozonkonzentrationen. Mit Erhöhung der Konzentration nehmen Beschwerden wie
Tränenfluss, Anschwellen der Augen, Druckgefühl in der Brust bis hin zu Schwindel und
Übelkeit zu, und führen zu gesundheitlichen Schädigungen. Bei Studien mit Mäusen, die
einer dauerhaft erhöhten Ozonexposition unterlagen, wurden deutlich erhöhte
Krankheitserscheinungen an Adenomen und Karzinomen in der Lunge festgestellt. Bei
Pflanzen wirkt sich Ozon negativ auf die Ausbildung der Wurzeln aus und schädigt
Blätter und Nadeln. Nutzpflanzen wie Tabak, Wein und Zitruspflanzen zählen zu den
besonders ozonsensiblen Arten. Die Wirkung auf biologische Zellen, wurde schon sehr
früh bei der Trinkwasseraufbereitung genutzt. Ozon weist eine stark oxidierende Wirkung
gegenüber organischen Verbindungen auf. Bei dem Zerfall von O3 in O2 entsteht der
atomare Sauerstoff, der die organischen Substanzen oxidiert. Niedere Lebewesen, wie
Bakterien, Pilze, Viren und Parasiten werden abgetötet. Ursache ist die Schädigung sind
Zellwände und zellulären Membranen bis hin zur vollständigen Lyse. Auch flüchtige
organische Verbindungen (VOC) werden durch Ozon zerstört. Ziel dieser Bachelorarbeit
ist es, die bakteriziden Eigenschaften des Ozons zu nutzen. Durch gezielte Anwendung
soll eine Desinfektion von biologisch kontaminierten und unzugänglichen Bereichen in
Innenräumen ermöglicht werden [13] [14].
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 1 0
2.3.2 Herstellung und Verwendung von Ozon
Abhängig von dem Verwendungszweck dem das Ozon zugeführt werden soll, können bei
der Ozonherstellung folgende Prinzipien genutzt werden:
• elektrische Entladung
• ultraviolettes Licht
• kryochemische - oder
• endotherme Prozesse
Eine energieökonomische Anwendung ist bei den ersten beiden Methoden möglich. Die
anderen Verfahren eignen sich lediglich für die Herstellung kleinerer Ozonmengen unter
Laborbedingungen und werden im Folgenden nicht weiter erläutert [13].
Das bei dieser Arbeit angewandte physikalische Prinzip der stillen elektrischen
Entladung oder auch kalten Entladung, wurde von Werner von Siemens 1857 entwickelt
(Abbildung 4). Dabei passiert der Luft- bzw. Sauerstoffstrom zwei unter
Wechselspannung stehende Hochspannungselektroden. Durch elektrische Entladungs-
vorgänge zwischen den Elektroden werden die Elektronen freigesetzt und anschließend
im elektrischen Feld beschleunigt. Durch den Einsatz einer dielektrischen Barriere finden
keine Funkensprünge oder Bogenentladungen statt, da der Entladungsaufbau in einem
sehr frühen Stadium abgebrochen wird. Je nach
Bauart können die Elektroden konzentrisch,
platten- oder stabförmig angeordnet sein [15]. In
dieser Arbeit wird eine besondere Art der stillen
elektrischen Entladung, die Koronaentladung, zur
Ozongenerierung verwendet. Der Name leitet
sich aus dem optisch blauen Leuchten ab, das
bei der Gasionisation in Erscheinung tritt. Als
Elektroden dienen meist drahtumwickelte
Dielektrika, in deren unmittelbarer Umgebung
ein stark inhomogenes Feld erzeugt wird, so dass
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 1 1
die umgebenden Luftmoleküle ionisieren. Durch das Anlagern von Elektronen an
Moleküle entsteht eine negative Raumladung, die Korona. Das elektrische Feld wird
durch sie abgebaut und verhindert den Aufbau eines Lichtbogens zur Gegenelektrode.
Durch eine Drift der Ionen auf die Anode schließt sich der Stromkreis. Je nach Polarität
der Elektrode wird eine positive oder negative Korona erzeugt, deren physikalische
Eigenschaften sich deutlich voneinander unterscheiden [16].
Abbildung 4: Darstellung des Funktionsprinzips vom Siemenschen Ozonisator [17]
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 1 2
Eine andere Variante ozonierte bzw. ionisierte Luft zu erzeugen ist die Verwendung von
hochenergetischem UV-Licht. Bei diesem Verfahren wird von einer Lampe Licht mit
einer Wellenlänge im Bereich � < 242,4nm emittiert. Der Luftsauerstoff wird dabei, wie
bei der natürlichen Genese, in atomaren Sauerstoff gespalten. Das freigewordene
Sauerstoffradikal geht eine Verbindung mit einem Sauerstoffmolekül ein und bildet Ozon
(Gleichung 1 und 2). Als Leuchtmittel werden üblicherweise Quecksilberlampen,
Edelgaslampen oder Wolframbandlampen verwendet.
Ozon wird in vielen technischen Bereichen künstlich hergestellt. Durch seine hoch
oxidativen Eigenschaften ist das reaktionsfreudige Gas ein häufig verwendeter
Chlorersatz. Die häufigste Verwendung findet Ozon in der Erdöl-, Pharma- und
Lebensmittelindustrie. Bei der Entkeimung und Desinfektion von Trinkwasser und
Schwimmbädern spielt es eine nicht minder bedeutende Rolle. In der Medizin bildet Ozon
die Grundlage verschiedener Therapien. Auch die Klimatechnik profitiert von der
schadstoffzersetzenden Wirkung [15][16].
2.4 Mikrobiologie
2.4.1 Schimmelpilze
„Der Begriff „Schimmelpilz“ besitzt keine klare Definition, da er keine systematische
Gruppe kennzeichnet. Im Wesentlichen bezieht sich der Begriff auf makroskopisch (mit
bloßem Auge) erkennbare Mycelien (Hyphengeflechte), bei denen die Bildung
ungeschlechtlicher Sporen dominiert. Im typischen Fall besitzen Schimmel eine ruderale
Lebenstrategie, d.h. sie nutzen kurzlebige Substrate, die sie aufgrund ihrer hohen
Wachstumsgeschwindigkeit schnell besiedeln“ [18].
Schimmelpilze sind natürlicher Bestandteil unserer Umwelt. Die in der Außenluft
vorkommenden Sporen lassen sich ebenfalls in unseren Häusern und Wohnungen
nachweisen. Durch die unkontrollierte Vermehrung und Ausbreitung können diese zum
hygienischen Problem werden. Weltweit gibt es ca. 20.000 bekannte Schimmelpilzarten,
jedoch sind lediglich 100 Arten in der Lage in Gebäuden zu wachsen. Das
T h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n 1 3
Artenspektrum, welches vorwiegend in Innenräumen vorzufinden ist, umfasst oft sehr
toxische und pathogene1 Pilze, die in der Lage sind Mykosen2 hervorzurufen. Die Pilze
benötigen zum Leben und Wachsen ausreichend Feuchte und Wärme, die sich in unseren
Breitengraden oftmals nur an anthropogenen Orten finden lassen. In der Tabelle 1 sind
die Wachstumstemperaturen der Pilzgruppen aufgelistet. Bei ausreichender Wärme,
dienen eintretendes Niederschlagswasser, Leckagen an Heizungs- oder Abwasserrohren,
mangelnde Bauwerksabdichtung oder Kondensation der feuchten Innenraumluft an kalten
Außenwänden als Feuchtquelle. Als Nährstoffquelle dienen organisch- und anorganisch
chemische Verbindungen, die von den Mikroorganismen biochemisch umgewandelt
werden. Oft reichen die Cellulose von Tapeten und Hölzern oder einzelne Staubpartikel
um den Schimmelpilzen eine Nahrungsgrundlage zu bieten. Indizien, die auf ein
Schimmelpilzvorkommen in Wohnungen schließen lassen, sind farbige dunkle Flecken,
Feuchteflecken, muffiger bzw. modriger Geruch sowie bei den Bewohnern auftretende
Krankheiten ungeklärter Ursache. Die optisch sichtbaren Schimmelpilze sind häufig
hinter Schränken, an Fenstern und Decken, ebenso wie in Kellern vorzufinden. Als
weitere Schimmelpilzursachen in Innenräumen, gelten Bio-, Wertstoff- und Restmüll,
Pflanzenerde, faulende Lebensmittel sowie Streu und Futter für die Tierhaltung in der
Wohnung [19].
Tabelle 1: Wachstumstemperaturen mesophiler, thermotoleranter und thermophiler Schimmelpilze [20]
Wachstumstemperatur [°C]
Bezeichnung
Minimum Optimum Maximum
Mesophile Schimmelpilze 0 – 5 25 – 35 ca. 40
Thermotolerante Schimmelpilze 0 – 5 30 – 40 ca. 50
Seitenkanalverdichter Schallbox SK 140 Roters Trocknungstechnik
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 1 8
Ozonkatalysator Mobiler Aktivkohlefilter X160
Roters Trocknungstechnik
Ionenmessgerät Ionometer IM 806 Umweltanalytik Holbach GmbH
Ozonmessgerät ML 8810 Monitorlabs
Gerät zum Messen von Temperatur und relativer Luftfeuchte
Testo 625 Testo AG
Gerät zum Messen der Materialfeuchte
Protimeter G E Protimeter P.L.C.
Nährmedium MEA Malzextrakt Agar Heipha Dr. Müller GmbH
Nährmedium DG 18 DG18 – Chloramph. Heipha Dr. Müller GmbH
Inkubator Heraeus function line Heraeus Holding GmbH
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 1 9
3.2 Der Konverter
Der Prototyp des Konverters besteht aus einem Ozongenerator und einer
Ionisationslampe. Diese befinden sich in einem Aluminiumgehäuse, an das ein
Seitenkanalverdichter der Firma Rothers Trocknungstechnik angeschlossen werden kann.
Eine technische Zeichnung des Konverters ist im Anhang beigelegt. Der O3-Generator,
dargestellt in Abbildung 5, wurde ursprünglich zur Sanierung von stark geruchs- und
keimbelasteten Räumen konzipiert. Mit einer Spannung von 15.000 Volt wird, wegen des
Koronaeffektes, die durch den Konverter strömende Luft ozoniert und ionisiert. Als
schonende Alternative zum Ozonierungsmodus, wurde eine Ionisationslampe der Firma
LifeEnergy Systems GmbH installiert. Die von der LifeLite SunnyAir, 32 Watt, emittierte
UV-A/UV-B Strahlung besitzt eine Photonenenergie von bis zu 4,2eV und reichert die
Umgebungsluft mit Ionen an, frei von jeglicher Bildung aggressiven Ozons. Die
gemessenen Emissionswerte des Prototyps sind in der Tabelle 3 dargestellt. Es ist
möglich, zwischen den beiden Modi zu wechseln und die Bodensanierung den gegebenen
Umständen anzupassen.
Abbildung 5: Darstellung und Anordnung der verwendeten Komponenten des Prototyps: 1.Stromteiler; 2.Einblasrohrstutzen, 3.Ionisationslampe; 4.E27 Lampenfassung; 5.Gleichstromkonverter; 6.Spannungstransformator; 7.Hochspannungselektroden; 8.Ausblasrohrstutzen
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 0
Tabelle 3: Durch Messung nachgewiesene Ozon- und Ionenkonzentration des jeweiligen Sanierungsmodus bei einem konstanten Volumenstrom von 140m³/h. Angaben über den Messvorgang und physikalische Parameter sind in den Messprotokollen im Anhang nach zu lesen.
Modus Ozonkonzentration Ionenkonzentration
Ozonierung ~11,8 ppm ~1.960.000 Ionen/cm³
Ionisierung keine Ozonbildung ~43.500 Ionen/cm³
3.2.1 Aufbau des Verfahrens
Der bereits beschriebene Prototyp des Konverters ist eine der drei verwendeten
Hauptkomponenten der Anlage. Bei der Anwendung des Verfahrens kommen weiterhin
ein Ozonkatalysator und ein Seitenkanalverdichter zum Einsatz. Die aus der Umgebung
angesaugte Luft strömt durch den Katalysator bevor sie in den Seitenkanalverdichter
eintritt. Der Katalysator hat die Aufgabe, das in der Luft vorhandene Restozon in
Sauerstoff zu konvertieren um eine Korrosion des Verdichters zu verhindern. Die aus dem
Verdichter ausgestoßene Luftmenge von ~140m³/h, wird mit einem Überdruck von bis zu
200mbar in den Konverter geleitet, in dem die Ionisierung bzw. Ozonierung erfolgt. Das
entstandene Plasma wird anschließend in einen mit Materialproben bestückten
Probenbehälter geleitet. Alle drei Komponenten sind für den einfachen Aufbau und
Transport in der Praxis durch simple Rohrschellen voneinander zu trennen.
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 1
Abbildung 6: Geplanter Aufbau der Komponenten während der Versuchsdurchführung
3.2.2 Fußbodenmusterplatten
Zur geplanten quantitativen Beurteilung des untersuchten Verfahrens, wurden, in
Zusammenarbeit mit der Materialforschungs- und Prüfanstalt der Bauhaus-Universität
Weimar (MFPA), fünf Fußbodenplatten hergestellt, deren Aufbau einer innenraum-
spezifischen Fußbodenkonstruktion entspricht (Abbildung 7). Die Konstruktion der
Platten erfolgte nach DIN 18560 „Estriche im Bauwesen“ und erlaubt eine repräsentative
Beurteilung des untersuchten Verfahrens.
In einem Rahmen aus Holz befindet sich eine Polystyrol Dämmschicht unter einer Lage
Zementestrich. Getrennt sind die unterschiedlichen Materialien durch PE-Folie, die in der
Praxis dazu dient, den Dämmstoff vor der Feuchtigkeit des frisch aufgetragenen Estrichs
zu schützen. Dieser Schutz ist jedoch lediglich für einen Zeitraum von zwei Tagen
gewährleistet, da bei längerer Feuchteeinwirkung die Dichtewirkung nachlässt. Eine
Querschnittzeichnung mit den eingebrachten Schichten und Materialstärken ist in
Abbildung 8 dargestellt. Die Maße der Musterplatten betragen 1,2m x 1,2m und bieten
ausreichend Platz für die Ausbreitung der Pilzkulturen und die Entnahme von
Bohrproben.
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 2
Abbildung 7: Bild der angefertigten Musterplatte
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 3
3.3 Messungen und Messgeräte
Die Effektivität der Sanierung ist von den emittierten Ozon- bzw. Ionenkonzentrationen
abhängig. Die Bestimmung der jeweiligen Konzentrationen in den unterschiedlichen
Modi aus der Tabelle 3, wurde mit folgenden Messgeräten durchgeführt.
3.3.1 Ionenmessung
Das Ionometer IM 806 misst die Ionenkonzentration. Das Messsystem besteht aus zwei
äußeren Rohrelektroden, in denen sich, isoliert und konzentrisch angeordnet, zwei weitere
kleinere Elektroden befinden. Durch Anlegen einer Gleichspannung von 60 V, wird ein
elektrisches Feld zwischen äußeren und inneren Elektroden erzeugt. Mit Hilfe eines
Ventilators wird ein definierter Luftvolumenstrom kontinuierlich durch die Ringräume
zwischen äußeren und inneren Elektroden geleitet. Aufgrund des elektrischen Feldes,
werden die Ionen im Luftvolumenstrom an die innere kleinere Elektrode geleitet. Die
Polaritäten der Elektroden sind unterschiedlich. Demzufolge werden in der einen Röhre
die positiven in der anderen Röhre die negativen Ionen zur inneren Elektrode hin
beschleunigt. Durch den Kontakt mit den Innenelektroden findet eine Neutralisation der
Abbildung 8: Darstellung des Schematisch aufgebauten Schichtsystems in der Bodenkonstruktion
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 4
Ionen statt. Der dadurch fließende Strom erzeugt an einem hochohmigen
Reihenwiderstand einen messbaren Spannungsabfall.
Durch die zwei Elektroden ist eine gleichzeitige Messung der Negativ- und Positivionen
möglich. Das Ionometer besitzt acht Messbereiche, die zwischen 0 ... 1000 Ionen/cm³ bis
0 ... 40.000.000 Ionen/cm³ selbstständig umschalten. Das Messgerät ist ausgelegt für
Luftionen mit einer Ionenbeweglichkeit von µ = 1,3cm²/Vs (Kleinionen) und schneller.
Ionen mit geringerer Beweglichkeit werden nur teilweise erfasst.
Zur Messung der Ionenkonzentration, wurde das Ionometer IM 806 in eine Polystyrolbox
gestellt, die mit dem vom Konverter erzeugten Plasma durchströmt wurde. Somit wurde
gewährleistet, dass nur Luft, die den Konverter durchströmt hat, das Messgerät erreicht.
Gemessen wurde die Hintergrundionenkonzentration der unbehandelten Raumluft, sowie
die Ionenkonzentration der im Ozonierungs- und Ionisierungsmodus emittierten Luft. Die
gewonnenen Daten wurden an einen Rechner übertragen und nach Beendigung der
Messung in einem EXCEL-Arbeitsblatt gespeichert. Zur Bestimmung der durch-
schnittlichen Ionenkonzentrationen wurden die Mittelwerte über die Laufzeit des
jeweiligen Modus gebildet.
3.3.2 Ozonmessung
Der Ozonanalysator vom Modell 8810 wurde für die Messung der Ozonkonzentration
verwendet. Das Gerät führt eine kontinuierliche, trockene Ozonmessung durch und
basiert auf dem Prinzip der UV-Absorption.
In einem ersten Schritt wird eine Blindprobe genommen. Dazu wird die angesaugte
ozonhaltige Luft durch einen Ozon-Scrubber geleitet, der das Ozon zu Sauerstoff
konvertiert. Die ozonfreie Luft strömt im Anschluss in eine optische Kammer in der sich
eine UV-Lampe und eine Photozelle befinden. Die ozonfreie Luft wird mit UV-Licht
bestrahlt und die auf der Photozelle erzeugte Spannung gemessen. Dieser Vorgang dient
dem Nullpunktabgleich. In einem zweiten Schritt wird durch das Umschalten eines
Magnetschalters der Scrubber deaktiviert und die ozonhaltige Luft direkt in die optische
Kammer geleitet. Dabei wird das von der UV-Lampe erzeugte Licht mit einer Wellen-
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 5
länge von 254nm durch das Ozon absorbiert. Gemäß dem Lambert-Beer’schen Gesetz
werden die in der Photozelle erzeugten Spannungen bei ozonhaltiger und ozonfreier Luft
ins Verhältnis zueinander gesetzt. Durch einen Prozessor wird die enthaltene
Ozonkonzentration berechnet und auf einem Display wiedergegeben.
Die vom O3-Generator emittierte Luft, besitzt einer Angabe des Herstellers zufolge, eine
Ozonkonzentration um 10ppm. Da der Messbereich des Ozonanalysators bei 10ppm
endet, wurde bei der Konzentrationsmessung des Ozonierungsmodus die entnommene
ozonierte Probenluft mit gleichem Volumenanteil Umgebungsluft verdünnt. Verwendet
wurde ein Unterdruckprobennehmer, dessen Schlauchtüte ein Fassungsvermögen von 6
Liter besaß. Durch den Einsatz eines Gaszählers wurde die Schlauchtüte mit 3 Liter
ozonhaltiger Luft und 3 Liter Umgebungsluft gefüllt und die tatsächliche Ozonkonzen-
tration somit halbiert. Um den Fehler zu minimieren wurde der Messwert aus dem
Mittelwert von 5 Messungen gebildet. Die ermittelten Messwerte sind im Anhang
aufgeführt.
Vorausgesetzt dass Wartungsintervalle von 6 Monaten eingehalten werden, der
Messfehler des Ozonanalysators ist mit einer Genauigkeit von ±2ppb angegeben.
Weiterhin ist in der Anleitung vermerkt, dass der Analysator im Messbereich von 1 –
10ppm nicht unter die EPA-Zulassung (Environmental Protection Agency) fällt. Da keine
Aussage über die Genauigkeit der Gasuhr getroffen werden kann, ist es nicht möglich den
Messfehler der entnommenen Volumina bei der Luftprobennahme abzuschätzen.
Aufgrund der geringen Volumina, ist jedoch mit keinen gravierenden Fehlern zu rechnen.
3.4 Versuchsplanung
Der experimentelle Teil dieser Arbeit sollte darin bestehen, die unterschiedlichen Modi
des Konverters hinsichtlich ihrer Wirkung und Effizienz zu untersuchen. Es war geplant
die Untersuchung an speziell für solche Versuche konzipierten Fußbodenmusterplatten
(siehe Punkt 3.2.2) durchzuführen. Schon im Vorfeld sprang jedoch ein wichtiger Koope-
rationspartner ab und für den Konverter essentielle Komponenten mussten nach erneuten
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 6
Anbieterrecherchen von neuen Lieferanten geordert werden. Aufgrund dessen kam es
bereits in der Planung zu einem erheblichen Verzug bei der Fertigung des Prototyps. Im
Weiteren ist es nicht gelungen die Fußbodenplatten in der gegebenen Zeit durch die Be-
impfung mit einer Sporensuspension mit einer ausreichenden Keimbelastung zu versehen.
Die auftretenden Probleme und Einschränkungen führten zu einer Änderung des Ver-
suchsablaufes.
Um die fristgerechte Abgabe dieser Arbeit zu gewährleisten, konnte in der verbleibenden
Zeit lediglich einer der beiden Modi des Konverters eingehend untersucht werden. In ei-
ner vorhergehenden Diplomarbeit zum Thema „Erprobung einer Methode zur Sanierung
von mikrobiologischem Befall und Brandschäden durch nicht thermisches Plasma“, wur-
de die desinfizierende Wirkung des Ozons auf Schimmel bereits ausführlich und unter
Erhalt vielversprechender Ergebnisse erforscht. Deshalb wurde die Entscheidung getrof-
fen, in dieser Arbeit allein die weniger bekannte Wirkung ionisierter Luft auf Schimmel
zu untersuchen. Da es nicht gelang, die Fußbodenplatten mit einer ausreichenden
Keimbelastung zu versehen, wurde auf kontaminierte Prüfkörper zurückgegriffen, die
ursprünglich in anderen Projekten zum Einsatz kommen sollten. Diese wurden in einen
Probenbehälter aus Polystyrol gelegt, an den der Konverter über eine Schlauchverbindung
angeschlossen wurde.
Im Anschluss an diese Arbeit sollen die ausführlichen Untersuchungen bezüglich der
Wirkung des Konverters fortgesetzt werden. Es ist vorgesehen, zwei 7-tägige Versuchs-
reihen durchzuführen, bei denen sowohl der Ionisierungs- als auch der Ozonierungsmo-
dus an den mikrobiologischen befallenen Fußbodenmusterplatten ausführlich getestet
werden soll. Zur Bestimmung der Ursprungskeimbelastung im Material, werden vor Inbe-
triebnahme der Anlage Bohrkerne als Referenzproben entnommen. In den Abständen von
1, 3, 5, und 7 Tagen wird dieser Vorgang wiederholt und wie in Kapitel 3.7 Nachweisver-
fahren beschrieben, ausgewertet.
3.5 Verwendete Materialien
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Um eine quantitative Aussage über die Wirkung des Ionisationsmodus zu erhalten, wur-
den gebäudetypische Baumaterialien wie Schaumpolystyrol, Gipskartonplatten und Grob-
spanplatten (OSB) mit Schimmelsuspensorien beimpft. Nach einer mehrwöchigen
Schimmelpilzkultivierung auf den beimpften Materialien, war bei den Probematerialien
optisch ein Schimmelpilzbefall der Oberflächen zu beobachten. Gegenstand der Untersu-
chung war es festzustellen, ob die verwendete Ionisationsquelle des Konverters eine aus-
reichende Desinfektionswirkung auf die unterschiedlichen Materialien besitzt.
Amorphes Schaumpolystyrol, auch unter dem Handelsnamen Styropor bekannt, findet in
Gebäuden als Dämmstoff die häufigste Verwendung. Der organische Thermoplast verfügt
über viele Nährstoffe und Poren, und bietet theoretisch gute Bedingungen für die Schim-
melpilzetablierung. Durch die geringe Wasseraufnahmekapazität des Baustoffes wird der
Grad der Kontamination jedoch eher gering ausfallen.
Der Begriff Gipskarton bezeichnet Gipsplatten mit einem beidseitigen Kartonagebezug,
der den Platten ihre Stabilität verleiht. Verwendung findet Gipskarton im Trocken- und
Akustikbau. Durch die Porenstruktur und hohe Kapillarität des Baustoffes, bildet das Ma-
terial eine gute Grundlage zur Schimmelpilzetablierung. Als Nährstofflieferant dient da-
bei die Zellulose aus dem Kartonagebezug.
Grobspanplatten, auch unter dem Namen OSB-Platten (oriented strand board) bekannt,
bieten durch ihre faserige Struktur und Kapillarität, sowie den hohen Anteil an Cellulose
und Lignin des Holzes, beste Grundlagen für eine Etablierung von Schimmelpilzen. Le-
diglich der hohe Klebstoffanteil bei OSB-Platten ist hinderlich bei der Wasseraufnahme.
M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 2 8
Abbildung 9: Schimmelpilzbefallene Baumaterialien
3.6 Versuchsdurchführung
Um die Wirkung der Ionisierung messen zu können, wurde vor der Versuchsdurchfüh-
rung die Ausgangskeimzahl der Probematerialien nach der im Abschnitt 3.7 erläuterten
Nachweißmethode bestimmt. Nach Messung der Ausgangsmaterialfeuchte wurden die
Proben in den Probenbehälter (Abbildung 10) gegeben und einem konstanten Volumen-
strom und konstanter Ionenkonzentration ausgesetzt. Zur genauen Betrachtung der Wir-
kung des Ionenstroms auf die Keimanzahl, erfolgte die Entnahme und Auswertung weite-
rer Materialproben in den Abständen 1, 3, 5, und 7 Tagen.
Abbildung 10: Anordnung der Komponenten während des Versuches
3.7 Nachweismethoden
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Der Nachweis und die Bestimmung der Keimbelastung durch Schimmelpilz-Test-
materialien erfolgt anhand von Materialproben nach der VDI 4300 Blatt 10
„Messstrategie für die Erfassung von Schimmelpilzen im Innenraum“. Die zerkleinerten
Materialproben werden eingewogen und im Verhältnis 1 zu 100 in eine 0,9%ige Koch-
salzlösung gegeben. Durch 30 minütiges Rühren mit einem Magnetrührer gehen die
Sporen in die Lösung über. Da es nicht möglich ist, eine Abschätzung über die Höhe der
Schimmelpilzbelastung zu treffen, werden Verdünnungsreihen von 1:10 und 1:100
hergestellt. Anschließend werden 100µl der Sporensuspension mit einem Dreiecksspatel
auf die unterschiedlichen Nährböden aufgetragen und 7 Tage lang bei einer Temperatur
von 25°C inkubiert. Die Bestimmung des Belastungsgrades erfolgt durch das Auszählen
der Kolonie bildenden Einheiten auf den Nährmedien. Die Konzentration der Kolonie
bildenden Einheiten pro Gramm werden nach Gleichung 5 berechnet und anschließend
mit den Literaturrichtwerten der Tabelle 4 verglichen.
(5) m
VZCM
1⋅⋅=
CM … Keimkonzentration der Ursprungsmaterialprobe [KBE/g]
Z … Summe der gezählten Kolonien
V … Verwendete Verdünnung
m … Masse der eingewogenen Materialprobe [g]
Tabelle 4: Literaturrichtwerte der Keimbelastung von Materialproben [26]