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Ein Lichtblick in dunklen Zeiten: Dank Plasma-Entladungen könnten tödliche Viren und Bakterien künftig auch in großen Räumen schnell unschädlich gemacht werden.

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Plasma gegen die Pandemie: Fraunhofer hat schnelles Desinfektionsverfahren mitentwickelt

  • Manuel Eser
    vonManuel Eser
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Mit einem neuen Verfahren können medizinische Schutzmasken in einer halben Stunde desinfiziert und anschließend wieder verwendet werden. Ein Forscher  erklärt, wie das funktioniert.

Freising – Das Virus ist unerbittlich. Jeden Tag fordert die Epidemie neue Menschenleben. Das Gesundheitssystem ist heillos überfordert. Tausende sterben. Die Welt ist schockiert. Ebola, das 2014 in West-Afrika ausgebrochen ist, hat auch viele Menschen in anderen Teilen der Welt aufgewühlt. Beim Fraunhofer IVV haben die Szenen von damals ebenfalls bleibenden Eindruck hinterlassen.

Ebola wurde für das Institut in Freising zur Triebfeder, an neuen Möglichkeiten zur Desinfektion zu forschen, um kommenden Pandemien besser entgegentreten zu können. In mehreren Jahren wissenschaftlicher Arbeit ist so ein „trockenes“ Desinfektionsverfahren mittels Plasma konzipiert worden. Möglich, dass die Technik, die sich derzeit in der Testphase befindet, im Kampf gegen Corona noch zum Einsatz kommt.

Der Umgang mit Gefahrenstoffen ist ein Problem der chemischen Verfahren

Entkeimung und Sterilisation gehören zum Alltagsgeschäft des Fraunhofer IVV. „Solche Prozesse sind in der Verpackungs- und Lebensmittelindustrie gang und gäbe, um Produkte länger haltbar zu machen – sei es, dass die Verpackung sterilisiert oder das Produkt selbst entkeimt wird“, erklärt Peter Muranyi (43), Geschäftsfeld-Manager für den Bereich Lebensmittel am Fraunhofer IVV. Bekanntes Beispiel ist die H-Milch. „Sie bleibt bei Raumtemperatur deshalb so stabil, weil Produkt und Verpackung sterilisiert werden und auch unter sterilen Bedingungen zusammengeführt werden.“

Hat jahrelang am neuen Verfahren geforscht: Dr. Peter Muranyi vom Fraunhofer IVV in Freising.

Bei der Abfüllung von H-Milch wird ein chemisches Verfahren angewandt, erläutert der Lebensmitteltechnologe. „Folien werden mit Wasserstoffperoxid benetzt und dann mit Hitze behandelt.“ Nachteil der chemischen Verfahren ist jedoch das Handling mit Gefahrstoffen, und dass bei unsachgemäßer Behandlung Rückstände in der Verpackung bleiben können.

Das Plasma-Verfahren ist daher eine von mehreren Alternativen zur physikalischen Oberflächen-Entkeimung – neben dem Einsatz von UV-Quellen etwa. „Wir beschäftigen uns am Fraunhofer IVV schon viele Jahre mit der Anwendung der Plasmatechnologie zur Sterilisation von Oberflächen“, berichtet Muranyi. Seit 2016 arbeitet das Institut aber nun daran, mit diesem Know-how auch Herausforderungen der zivilen Sicherheit zu meistern.

Das Know-how des Fraunhofer IVV kommt dem Katastrophenschutz zugute

„Unsere Wissenschaftler forschen für das höchstmögliche Maß an Sicherheit für Lebensmittel und Produkte“, betont Institutsleiterin Andrea Büttner. „Der Schutz des Menschen und der Umwelt steht dabei für uns immer im Fokus.“ Sichere Entkeimungsverfahren müssten daher nicht nur für die verbesserte Haltbarkeit von Lebensmitteln entwickelt werden, sondern hätten auch das Potential, in andere Handlungsfelder übertragen zu werden. „Diese technologischen Möglichkeiten zu erschließen, sehen wir als unsere Aufgabe.“

Im Rahmen einer Ausschreibung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung erhielt das Fraunhofer IVV den Zuschlag für das Projekt „MoPlasDekon“. „Das war zur Zeit der Ebola-Pandemie in Afrika“, berichtet der 43-Jährige. Um Hilfskräfte vor Ansteckung mit infektiösen Erregern zu schützen und die Gefahr einer weiteren Ausbreitung von Krankheiten zu minimieren, waren wirksame Desinfektionsmethoden für den Einsatz in Seuchengebieten gefragt. „Aktuell werden Chemikalien, zum Beispiel Peressigsäure, für die Dekontamination von Personen in Schutzanzügen oder Räumen eingesetzt“, berichtet Muranyi. Dies habe nicht nur den Nachteil des problematischen Handlings von Gefahrstoffen. „Es ist auch schwer zu gewährleisten, dass Oberflächen gleichmäßig behandelt werden.“

In dieser Kammer können 50 medizinische Schutzmasken gleichzeitig aufbereitet werden.

Ein Beispiel: Einsatzkräfte werden normalerweise dekontaminiert, ehe sie die Schutzanzüge ausziehen. Sie werden in der Regel mit Bürsten abgeschrubbt – unter Einsatz von Chemikalien und Wasser. „Da Anzüge oft Falten werfen, ist es schwierig, das Desinfektionsmittel überall aufzubringen“, betont Muranyi. Zugleich müsse stets darauf geachtet werden, die Chemikalien aufzufangen, damit diese nicht in den Boden einsickern. Und auch der Faktor Zeit spielt eine große Rolle. „Formaldehyd zur Raumdesinfektion muss zum Teil mehrere Stunden lang einwirken. In Pandemiezeiten gilt es aber, dass Fahrzeuge, Schutzausrüstung oder Räume deutlich schneller wieder aufbereitet sind.“

Plasmaverfahren bringen nicht nur Fernseher zum leuchten, sondern stoppen auch Viren

Um diese Negativfaktoren im Fall eines Katastrophen-Einsatzes auszuschließen, hat das IVV gemeinsam mit den Industriepartnern Plasmatreat und m-u-t das Konzept für die mobile Plasmatechnologie zur „trockenen“ Dekontamination entwickelt. „Das Verfahren beruht auf einer Plasma-Entladung bei Atmosphärendruck“, erklärt Muranyi. Ein Plasma ist eine gasförmige Zustandsform mit einem gewissen Anteil an freien Ladungsträgern: Elektronen und Ionen, die bei entsprechender Energiezufuhr aufgrund von Stoßprozessen entstehen. „Technisch erzeugte Gasplasmen werden industriell für die Veränderung von Oberflächeneigenschaften eingesetzt, zum Beispiel beim Verkleben von Kunststoffteilen in der Automobilindustrie oder der Herstellung von Halbleitern“, berichtet Muranyi. Aber auch bei Fernsehgeräten oder Lampen werden Gasentladungen genutzt, um Plasmen und dadurch sichtbares Licht zu erzeugen.

Je nach verwendeten Prozessgasen, Arbeitsdruck und Leistung entstehen unterschiedliche Reaktionsprodukte mit mikrobizider Wirkung – zum Beispiel energiereiche UV-Strahlung, chemisch reaktive Radikale und beschleunigte Ladungsträger. Durch Kombination und Synergieeffekte der plasmaspezifischen Wirkmechanismen können so auch Bakterien und Viren effizient inaktiviert werden.

Robust, handlich, mobil, einfach zu bedienen: Akteure aus der Wissenschaft, der Industrie und dem Katastrophenschutz präsentieren das Gerät, mit dem Desinfektion in Seuchengebieten flexibel möglich wird.

Bei dem entwickelten Plasmasystem werden unter Verwendung von Umgebungsluft und Wasserdampf reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies gebildet. „Die gasförmige Zustandsform ermöglicht die Behandlung von Räumen und der darin befindlichen Gegenstände in kurzer Zeit“, sagt Muranyi. „Durch die ,trockene‘ Desinfektion mit Plasma ergibt sich nicht das Problem, Desinfektionsmittel transportieren und Chemikalien entsorgen zu müssen. Der plasmaaktivierte Wasserdampf verdünnt sich in der Luft und kann über Filter aufgefangen oder in Wasser eingeleitet werden. So kann ein Desinfektionsmittel vor Ort hergestellt werden.“

Die Technik ist für den Einsatz in Seuchengebieten konzipiert

Das Projekt wurde im August 2019 abgeschlossen. Derzeit befindet sich das Verfahren in der Testphase. Einen ersten Demonstrator der Firma Plasmatreat, das kleinere Räume desinfizieren kann, gibt es bereits. Es besteht im Wesentlichen aus einem kompakten Generator und einer neu konzipierten Plasmadüse, die mit dem Generator verbunden wird und einen flexiblen Einsatz ermöglicht. Der Desinfektionsprozess wird mit Hilfe einer Gassensorik der Firma m-u-t. gesteuert, die misst, wann der entsprechende Raum ausreichend stark mit Plasma geflutet ist, und die auch darauf hinweist, wann sich die Konzentration so aufgelöst hat, dass der Raum wieder betreten werden kann.

„Das Plasmasystem wurde in enger Abstimmung mit Akteuren aus dem Rettungswesen und Katastrophenschutz entwickelt“, berichtet Muranyi. „Damit haben wir gewährleistet, dass viele praxisrelevanten Aspekte Berücksichtigung fanden.“ Das Gerät ist leicht und kompakt zu transportieren. Es ist so robust, dass es unter widrigen Bedingungen, etwa bei großer Hitze oder Kälte, funktionsfähig ist. Für den Fall, dass im Einsatzgebiet weder ein elektrisches Netz noch ein Notstromaggregat zur Verfügung stehen, läuft es auch im Akkubetrieb. Zudem ist es für Einsatzkräfte in Schutzanzügen mit einfachen Knopfdrücken zu bedienen.

Innerhalb weniger Minuten lassen sich medizinische Masken dank Desinfektion mittels Plasma aufbereiten. Das Bild zeigt einen Teststand des BRK, bei dem das entwickelte Plasmasystem zum Einsatz kommt.

Auch in der aktuellen Corona-Pandemie könnte die Technik wertvolle Hilfe leisten. Zum Beispiel ließen sich dadurch die immer noch bestehenden Engpässe bei der Versorgung mit medizinischer Schutzausrüstung beheben. „Auf Initiative vom BRK wurde gemeinsam mit der Firma Plasmatreat ein Pilotstand zur Aufbereitung von Schutzausrüstung aufgebaut, bei der das Plasmasystem mit einem Schrank verbunden ist“, erklärt Muranyi. In diesem lassen sich zum Beispiel Schutz- und Beatmungsmasken in 30 Minuten desinfizieren, und damit bis zu 2000 Stück am Tag aufbereiten. „Die Testphase ist vielversprechend“, berichtet Muranyi. „Das Verfahren wird aktuell gegen Corona getestet. Wir müssen allerdings noch Erkenntnisse zur Materialverträglichkeit gewinnen, um bestimmen zu können, wie oft die Masken behandelt werden können, ehe sie nicht mehr verwendbar sind.“

Das Verfahren ist besonders relevant für Kliniken, Praxen und Seniorenheime

Die Technologie soll zeitnah für den Einsatz in größeren Räumen weiterentwickelt und zugelassen werden. Da eine Übertragung der Viren über Tröpfchen in der Luft oder auch durch kontaminierte Oberflächen erfolgen kann, sind besonders Räume mit hohem Aufkommen von Erkrankten als relevant einzustufen“, sagt Muranyi. Das können Rettungswagen, Klinken, Arzträume oder Seniorenheime sein. „Aber auch für den öffentlichen Bereich, etwa für Nahverkehr und Supermärkte, ist das Verfahren interessant. Hier könnte das mobile Plasmasystem einen Beitrag zur Raum- und Luftdesinfektion und damit der Unterbrechung von Infektionsketten leisten.“

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