Bachelorarbeit Tobias Jurk - Blei Institut

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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I n h a l t s v e r z e i c h n i s I I

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis .........................................................................................................IV

Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................... V

Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................. VII

1 Einleitung ........................................................................................................... 1

1.1 Einführung .......................................................................................................... 1

1.2 Aufgabenstellung ................................................................................................ 1

2 Theoretische Grundlagen ................................................................................. 2

2.1 Grundlagen Plasma ............................................................................................. 2

2.1.1 Kategorisierung der Plasmen .............................................................................. 2

2.1.2 Verwendung von Plasmen................................................................................... 5

2.2 Wirkmechanismen während der Plasmabehandlung .......................................... 6

2.3 Grundlagen Ozon ................................................................................................ 8

2.3.1 Biologische Wirkung des Ozons......................................................................... 9

2.3.2 Herstellung und Verwendung von Ozon........................................................... 10

2.4 Mikrobiologie.................................................................................................... 12

2.4.1 Schimmelpilze................................................................................................... 12

2.5 Sanierung .......................................................................................................... 14

2.5.1 Sanierung von mikrobiologischen Schäden ...................................................... 14

2.5.2 Sanierung mikrobiologischer Schäden in Fußböden......................................... 16

3 Material und Methoden .................................................................................. 17

3.1 Verwendete Geräte und Technik....................................................................... 17

3.2 Der Konverter.................................................................................................... 19

3.2.1 Aufbau des Verfahrens...................................................................................... 20

I n h a l t s v e r z e i c h n i s I I I

3.2.2 Fußbodenmusterplatten ..................................................................................... 21

3.3 Messungen und Messgeräte .............................................................................. 23

3.3.1 Ionenmessung.................................................................................................... 23

3.3.2 Ozonmessung .................................................................................................... 24

3.4 Versuchsplanung............................................................................................... 25

3.5 Verwendete Materialien .................................................................................... 26

3.6 Versuchsdurchführung ...................................................................................... 28

3.7 Nachweismethoden ........................................................................................... 28

3.7.1 Verwendete Nährmedien................................................................................... 30

4 Ergebnisse ........................................................................................................ 31

4.1 Ausgangskonzentration ..................................................................................... 31

4.1.1 Etablierte Schimmelpilzarten ............................................................................ 32

4.2 Betrachtung der Ergebnisse des Desinfektionsmodus „Ionisation“.................. 34

4.2.1 Ergebnisse der Ionenbehandlung bei den Grobspanplatten .............................. 36

4.2.2 Ergebnisse der Ionenbehandlung bei Gipskarton.............................................. 36

4.2.3 Ergebnisse der Ionenbehandlung bei Polystyrol ............................................... 37

5 Diskussion ........................................................................................................ 39

5.1 Betrachtung der Versuchsreihe und Ergebnisse................................................ 39

6 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................... 43

Literaturverzeichnis ........................................................................................................ 45

Abstract Deutsch.............................................................................................................. 49

Abstract English .............................................................................................................. 51

Selbstständigkeitserklärung ........................................................................................... 52

Anhang….......................................................................................................................... 54

T a b e l l e n v e r z e i c h n i s I V

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Wachstumstemperaturen mesophiler, thermotoleranter und

thermophiler Schimmelpilze ................................................................ 13

Tabelle 2: Gesamtübersicht der zum Einsatz gekommenen Technik, Hilfsmittel

und Messgeräte..................................................................................... 17

Tabelle 3: Durch Messung nachgewiesene Ozon- und Ionenkonzentration des

jeweiligen Sanierungsmodus................................................................ 20

Tabelle 4: Literaturrichtwerte der Keimbelastung von Materialproben................ 29

Tabelle 5: Ausgangsbelastung und Materialfeuchte der unterschiedlichen

Materialien nach 7-tägiger Kultivierung .............................................. 31

Tabelle 6: Vergleich der Keimkonzentrationen und Materialfeuchten der

Referenzproben mit Tag 7.................................................................... 34

Tabelle 7: Übersicht der gemessenen Einzelwerte bei der Ozonmessung im

Ozonierungsmodus............................................................................... 55

Tabelle 8: Übersicht der gemessenen Einzelwerte bei der Ozonmessung im

Ionisationsmodus.................................................................................. 56

A b b i l d u n g s v e r z e i c h n i s V

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Logarithmische Darstellung der Temperatur der Elektronen Te, der

Ionen Ti und der Neutralgases Tg als Funktion des Gasdrucks p .......... 3

Abbildung 2: Die logarithmische dargestellte Grafik gibt einen Überblick über die

Plasmaarten sowie ihrer Parameter Elektronentemperatur(Te) und

Elektronendichte (ne) ............................................................................. 1

Abbildung 3: Auftretende Wirkmechanismen bei der Desinfektion bzw.

Inaktivierung von Mikroorganismen durch nicht thermisches Plasma .. 1

Abbildung 4: Darstellung des Funktionsprinzips vom Siemenschen Ozonisator ........ 1

Abbildung 5: Darstellung und Anordnung der verwendeten Komponenten des

Prototyps................................................................................................. 1

Abbildung 6: Geplanter Aufbau der Komponenten während der

Versuchsdurchführung ......................................................................... 21

Abbildung 7: Bild der angefertigten Musterplatte........................................................ 1

Abbildung 8: Darstellung des Schematisch aufgebauten Schichtsystems in der

Bodenkonstruktion ................................................................................. 1

Abbildung 9: Schimmelpilzbefallene Baumaterialien................................................ 28

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


Gipskartonproben auf den Nährmedien MEA und DG 18................... 33


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


Versuchsdurchführung bei Gipskarton................................................. 37


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


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


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.


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].


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].


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


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


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]


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


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

Thermophile Schimmelpilze 20 – 25 35 – 55 ca. 60

1 Pathogen - krankheitserregend 2 Mykosen – durch Schimmelpilze verursachte Krankheiten


Die Wirkungen auf den Menschen sind ebenso vielfältig wie die vorkommenden

Pilzarten. Krankheitsbilder wie Allergien, Asthma, chronische Erkältungen, Dermatiden3

bei Kindern und Immungeschwächten können die Folgen einer Exposition sein. Die

gesundheitlichen Beeinträchtigungen werden durch die Größe der Emissionsquelle, die

Schimmelpilzart und deren toxische und allergische Potenz, ebenso wie durch die

Zeitdauer der Exposition beeinflusst. Mykosen entstehen meist durch Hautkontakt oder

Inhalation von luftgetragenen Schimmelpilzsporen. Treffen diese thermophilen Erreger

auf den Menschen, wird die Ausbreitung der Pilzsporen oder Myzelbruchstücke

üblicherweise vom Immunsystem verhindert. Ist dieses jedoch durch Krankheiten

geschwächt, sind die Pilze in der Lage den Menschen zu infizieren und Hautmykosen

oder Systemmykosen hervorzurufen. Bei sensibilisierten Menschen können schon geringe

Sporenbelastungen überempfindliche Reaktionen auslösen. [18]

Seit vielen Jahren versucht man, die Toxizität der Pilze in den Nutzen der Menschheit zu

stellen. Viele Antibiotika wie etwa das Penicillin, entwickelt aus Penicillium notatum,

haben enormen Einfluss auf die Geschichte der Medizin genommen. Botulinumtoxin

findet unter dem Handelsnahmen Botox, in der Neurologie und kosmetischen Medizin

Verwendung. In der Lebensmittelindustrie dienen Pilze der Veredlung von Käse, Salami

und Wein. Zum Einsatz kommen sie ebenso bei der Synthetisierung von Vitaminen. Beim

Militär findet Trichothecen Mykotoxin T2, welches unter anderem aus dem Stachybotrys

gewonnen wird, als biologischer Kampfstoff Verwendung [21][22].

2.5 Sanierung

2.5.1 Sanierung von mikrobiologischen Schäden

Der Begriff der Schimmelpilzsanierung ist hingegen nicht klar definiert. Das Beschreiben

eines allgemeingültigen Sanierungsverfahrens ist aufgrund der Variabilität von

Schadensausmaß und Schadensursache nicht möglich.

Bei einem Schimmelpilzbefall hat das Erkennen und Beseitigen der Ursache höchste

Priorität. Erst dann kann mit der Planung der Sanierung begonnen werden. Dazu ist eine

3 Dermatiden – entzündete Reaktionen


Vor-Ort-Begehung durch einen Sachverständigen unerlässlich. Zu den Schadensbildern

gehören Schimmelpilz- und Bakterienwachstum, sowie die Bildung holzzerstörender

Pilze. Nach §2 der Biostoffverordnung (BioStoffV) [23], werden die Maßnahmen zur

Beseitigung von mikrobiologischen Substanzen in gezielte und nicht gezielte Tätigkeiten

eingeteilt.

Gezielte Tätigkeiten liegen vor, wenn:

1. biologische Arbeitsstoffe mindestens der Spezies nach bekannt sind,

2. die Tätigkeiten auf einen oder mehrere biologische Arbeitsstoffe unmittelbar

ausgerichtet sind und

3. die Exposition der Beschäftigten im Normalbetrieb hinreichend bekannt oder

abschätzbar ist.

Nicht gezielte Tätigkeiten:

Liegen vor, wenn mindestens eine der Voraussetzungen nach Satz 1 Nr. 1, 2

oder 3 nicht gegeben ist

Weiterhin werden die biologischen Arbeitsstoffe zum Schutz der Beschäftigten, gemäß §3

der BioStoffV [23], nach den von ihnen ausgehenden Infektionsrisiken, in folgende vier

Risikogruppen eingeteilt. Es ist zu bemerken, dass die Mikroorganismen der

Risikogruppe 3 und 4 in Deutschland kaum anzutreffen sind.

Risikogruppe 1: Biologische Arbeitsstoffe, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass

sie beim Menschen eine Krankheit verursachen.

Risikogruppe 2: Biologische Arbeitsstoffe, die eine Krankheit beim Menschen

hervorrufen können und eine Gefahr für Beschäftigte darstellen

können; eine Verbreitung des Stoffes in der Bevölkerung ist

unwahrscheinlich; eine wirksame Vorbeugung oder Behandlung ist

normalerweise möglich.


Risikogruppe 3: Biologische Arbeitsstoffe, die eine schwere Krankheit beim

Menschen hervorrufen können und eine ernste Gefahr für

Beschäftigte darstellen können; die Gefahr einer Verbreitung in der

Bevölkerung kann bestehen, doch ist normalerweise eine wirksame

Vorbeugung oder Behandlung möglich.

Risikogruppe 4: Biologische Arbeitsstoffe, die eine schwere Krankheit beim

Menschen hervorrufen und eine ernste Gefahr für Beschäftigte

darstellen; die Gefahr einer Verbreitung in der Bevölkerung ist

unter Umständen groß; normalerweise ist eine wirksame

Vorbeugung oder Behandlung nicht möglich.

Nach der Gefährdungsbeurteilung lassen sich anhand der Risikogruppen, die bei der

Sanierung erforderlichen Vorsichts- und Schutzmaßnahmen treffen. Gegebenenfalls sollte

auf die Einrichtung von Übergangsschutzmaßnahmen geachtet werden, die der

Überbrückung von zeitlichen Verzögerungen dienen. Die praktische Durchführung der

Sanierung kann erst beginnen, wenn die Ursache der Kontamination ausfindig gemacht

und beseitigt wurde. In der Regel geht sie mit der Trocknung der Bausubstanz einher, der

Entfernung des befallenen Materials sowie im Bedarfsfall, einer desinfizierenden

Reinigung nicht ausgetauschter Baumaterialien. Abhängig von der Art und Höhe der

Kontamination ist es meist sinnvoll, eine Feinreinigung umliegender Gebäudeteile und

Räume durchzuführen. Beim Wiederaufbau können einfache Maßnahmen wie die

Verwendung von Kalk- oder Silikatfarben, sowie ein Verzicht von Tapeten, einem

erneuten Schimmelpilzwachstum entgegenwirken. Abschließend sind noch die Abnahme

und die Kontrolle des Sanierungserfolges durch einen Sachverständigen notwendig [20].

2.5.2 Sanierung mikrobiologischer Schäden in Fußböden

Als äußerst kostenintensiv erweist sich die Sanierung von Schimmelpilzbefall im Dämm-

und Estrichbereich von Fußböden. Ursachen für die Schimmelpilzbildung sind hier oft die

M a t e r i a l u n d M e t h o d e n 1 7

Kondenswasserbildung an den Wärmebrücken unzureichend isolierter Kellerdecken,

sowie die nicht fachgerechte Sanierung vorausgegangener Wasserschäden.

Eine optimale Voraussetzung für die ungehinderte Schimmelpilzausbreitung im

Fußbodenbereich bietet schwimmend verlegter Estrich. Beim Betreten dieses Bodens

kommt es durch die kurzzeitige Druckbelastung zu einer Luftströmung zwischen Estrich-

und Dämmschicht, die als Transportmedium für die Pilzsporen dient. Üblicherweise wird

bei dieser Art des mikrobiologischen Befalls ein Komplettaustausch des befallenen

Materials vorgenommen [24]. Durch die hohen Kosten, die diese Sanierungsform mit sich

bringt, besteht eine große Nachfrage an alternativen Sanierungsmöglichkeiten. Böden die

aus einem trockenbaren Material bestehen, können über das Flutungsverfahren mit

Desinfektionsmittel behandelt werden. Bei dieser Art der Sanierung wird ca. 1l/m²

Desinfektionsmittel gleichmäßig in dem betroffenen Raum verteilt und sickert über

Randfugen und eingebrachte Bohrlöcher in den Dämmschichtbereich ein. Nach der darauf

folgenden Trocknung ist die Schimmelpilzkontamination beseitigt. Bei nicht trockenbaren

Fußböden, etwa aus Anhydritestrich, ist der Austausch der Bausubstanz zwingend

erforderlich.

3 Material und Methoden

3.1 Verwendete Geräte und Technik

Die im Prototyp des Konverters installierten Bauteile und Komponenten, stammen teils

aus Bereichen der Sanierungstechnik selbst, teils auch aus fremden Bereichen, wie der

Klimakomforttechnik, bei der sie unter anderem zur Verbesserung der Raumluft

eingesetzt werden.

Tabelle 2: Gesamtübersicht der zum Einsatz gekommenen Technik, Hilfsmittel und Messgeräte

Apparatur Bezeichnung Hersteller

O3-Generator O3-Generator Ionair®

Ionisationslampe LifeLite SunnyAir 32 Watt LifeEnergySystems GmbH

Seitenkanalverdichter Schallbox SK 140 Roters Trocknungstechnik


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


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


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.


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.


Abbildung 7: Bild der angefertigten Musterplatte


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


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-


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


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


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.


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


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]

BK 1 in KBE/g BK 2 in KBE/g BK 3 in KBE/g

Gesamtsporenkonzentration < 500 500 – 50.000 > 50.000

Einzelne Gattungen und Arten

< 100 150 – 15.000 > 15.000

KBE/g … Kolonie bildende Einheit pro Gramm Material

BK … Befallsklasse

BK 1 … Kein Befall oder kein relevanter Befall


BK 2 … Relevanter mikrobiologischer Befall nicht auszuschließen

BK 3 … Relevanter mikrobiologischer Befall liegt vor

3.7.1 Verwendete Nährmedien

Die verschiedenen Pilzgattungen und –arten stellen teils unterschiedliche Anforderungen

an das Nährmedium. Darüber hinaus ist es möglich, dass sich ungleiche Pilze in ihrem

Wachstum untereinander hemmen oder überwachsen. Um ein möglichst großes Arten-

spektrum der Pilze und Bakterien erfassen zu können, wurden zwei in ihrer Art und

Zusammensetzung unterschiedliche Nährböden bei der Analyse verwendet. Bei der

Versuchsreihe zur Bestimmung der Keimbelastung kamen Malzextrakt-Agar und DG 18

Nährböden zum Einsatz.

Der Malzextrakt-Agar (MEA) gilt als Standardnährboden. Er wird zur Bestimmung der

Keimzahlen von Schimmelpilzen und Hefen verwendet. Durch den niedrigen pH-Wert

des Mediums wird das Wachstum bakterieller Begleitkeime gehemmt. Die

Zusammensetzung aus Kohlenhydraten, Stickstoffverbindungen und Vitaminen bietet

Hefen, Pilzen und Dermatophyten gute Wachstumsbedingungen [25].

Dichloran-Glycerol-Agar mit Chloramphenicol (DG 18) wird zur Bestimmung der

Keimzahl xerophiler4 Schimmelpilze verwendet. Dichloran hemmt das Wachstum

apathogener5 Pilze und Hefen. Der hohe Glycerolgehalt, das Chloramphenicol und der

niedrige pH-Wert unterbinden das Wachstum bakterieller Begleitkeime. Die Zusammen-

setzung aus Pepton als Stickstoffquelle und Glycerol als Kohlenstoff- und Energiequelle

ermöglichen den xerophilen Schimmelpilzen beste Wachstumsbedingungen [25].

4 xerophil – trockenliebend 5 apathogen – nicht krankheitserregend

E r g e b n i s s e 3 1

4 Ergebnisse

4.1 Ausgangskonzentration

Zur Bestimmung der Wirksamkeit des Ionisationsmodus‘ war es nötig die Keimkonzent-

ration der Materialproben vor Beginn des 7-tägigen Versuchsdurchlaufes zu ermitteln.

Dazu wurden von den kontaminierten Materialien Proben entnommen und aus diesen

Verdünnungsreihen hergestellt. Zur Bestimmung des gesamten Artenspektrums, wurden

diese auf zwei Nährböden unterschiedlicher Zusammensetzung ausgestrichen. Der ermit-

telte Wert gilt als Referenz für die weiteren Messwerte.

Bereits nach wenigen Tagen war ein deutliches Schimmelpilzwachstum auf den Nährbö-

den festzustellen. Die Ausgangskonzentration lag, abhängig vom untersuchten Material,

zwischen 2.263 KBE/g und 14.057 KBE/g (Tabelle 5) und sollte im optimalen Fall nach

der Behandlung auf Null reduziert werden.

Tabelle 5: Ausgangsbelastung und Materialfeuchte der unterschiedlichen Materialien nach 7-tägiger Kultivierung

Materialien Materialfeuchte [%] Ausgangskonzentration

[KBE/g]

Polystyrol 13 2.263

Gips 50 - 55 14.057

Grobspanplatte 25 - 30 12.263

Die unterschiedlichen Keimbelastungen sind auf die spezifischen Materialeigenschaften

wie Restfeuchte, Nährstoffangebot und Porenanzahl bzw. –größe zurückzuführen. Auf-

grund des engen Zeitplans musste kurzfristig auf, im Labor bereits vorhandene Probema-

terialien zurückgegriffen werden. Daher ist nicht auszuschließen, dass sich die Kultivie-

rungsdauern nach der Beimpfung voneinander unterscheiden.


Verglichen mit den Literaturrichtwerten zur Beurteilung der Keimbelastung von Materi-

alproben aus Tabelle 4, ist die Ausgangskonzentration der untersuchten Materialien der

Befallsklasse 2 zuzuordnen.

4.1.1 Etablierte Schimmelpilzarten

Das Ausmaß der Etablierung der Schimmelpilzgattungen und –arten hängt stark von den

Materialeigenschaften und den physikalischen Parametern ab. Dies führte dazu, dass sich

je nach Material teilweise unterschiedliche Pilze durchsetzten. Während der Kultivierung

stellte sich nach der biologischen Auswahl ein Konzentrationsgleichgewicht zwischen

den einzelnen Arten ein. So war festzustellen, dass Penicillium spp. dominierte und auch

der Aspergillus sp. für seine Etablierung auf allen Materialien gute Bedingungen fand.

Zudem war bei allen Probematerialien ein erheblicher Bakterienbefall festzustellen.

Die Einwirkung des Plasmas während der Versuchsdurchführung, zeigte auch keine be-

deutende Veränderung der Schimmelpilze.

In den folgenden drei Abbildungen sind die auf den jeweiligen Materialien detektierten

Schimmelpilze mit ihren makroskopischen Eigenschaften dargestellt.

Abbildung 11: Darstellung der etablierten Schimmelpilze und Bakterien der Grobspanplattenproben auf den Nährmedien MEA und DG 18


Nach genauer Untersuchung der Nährmedien mit den Grobspanplattenproben, ergab

sich, dass die Etablierung weiterer Schimmelpilze während der mehrwöchigen Kultivie-

rung ausblieb und lediglich die Detektion von Penicillium spp. und Aspergillus sp. sowie

vieler Bakterien möglich war. Beide Pilzarten sind vorzugsweise auf feuchten und sehr

kohlenhydrathaltigen Untergründen wie faulendes Obst und Gemüse zu finden

Abbildung 12: Darstellung der etablierten Schimmelpilze und Bakterien der Gipskartonproben auf den Nährmedien MEA und DG 18

Bei der Analyse der Gipskartonprobe, wurden neben den Penicillium spp. und Aspergil-

lus sp. die Arten Stachybotrys chartarum und Cladosporium sp. detektiert. Gipskarton

bietet bekanntermaßen einen optimalen Nährboden für den schwarz-schleimig in Erschei-

nung tretenden Stachybotrys chartarum. Der Cladosporium sp. ist ein häufig vorkom-

mender Schwärzepilz, der im Sommer bis zu 90% aller Luftschimmelpilze ausmacht. Als

optimale Nahrungsgrundlage dienen faulende Pflanzen in Sümpfen, Wäldern und Gärten.


Abbildung 13: Darstellung der etablierten Schimmelpilze und Bakterien der Polystyrolproben auf den Nährmedien MEA und DG 18

Im Polystyrol hat sich neben den bereits genannten Arten Penicillium spp. und Cladospo-

rium sp., der häufig in Innenräumen anzutreffende Acremonium sp. etabliert. Beliebte

Nahrungsquellen sind Kunststoffe, Baustoffe und Tapeten

4.2 Betrachtung der Ergebnisse des Desinfektionsmodus „Ionisation“

Zur Betrachtung der Keimkonzentrationen gehört auch die der Materialfeuchte. In der

folgenden Tabelle 6 sind die Ausgangkeimkonzentrationen und die des letzten Ver-

suchstages mit den dazu gemessenen Materialfeuchten dargestellt.

Tabelle 6: Vergleich der Keimkonzentrationen und Materialfeuchten der Referenzproben mit Tag 7

Materialfeuchten & Keimkonzentrationen

Referenz Tag 7

Keimkon-

zentration

[KBE/g]

Material-

feuchte

[%]

Keimkon-

zentration

[KBE/g]

Material-

feuchte

[%]

Grobspanplatten 12.263 25 - 30 23.843 11


Gipskarton 14.074 50 - 55 7.970 7 - 8

Polystyrol 2.215 13 2.461 3

Zu Beginn der Versuchsreihe waren bei den Materialien noch relativ hohe Materialfeuch-

ten zu messen. Durch den kontinuierlichen warmen Luftstrom während der Versuchs-

durchführung, war eine deutliche Abnahme der Materialfeuchte zu detektieren.

In den folgenden Unterpunkten wird genauer auf den Verlauf der Keimentwicklung wäh-

rend der 7-tägigen Versuchsdurchführung eingegangen. Aufgeführt ist die Anzahl der

Kolonie bildenden Einheiten an den jeweiligen Probennahmetagen.


4.2.1 Ergebnisse der Ionenbehandlung bei den Grobspanplatten

Abbildung 14: Darstellung des Keimverlaufs über den Zeitraum der Versuchsdurchführung bei OSB

Bei der Betrachtung der Keimkonzentration während der Versuchsdurchführung, ist im

Gesamten ein deutlicher Anstieg zu erkennen und somit blieb der gewünschte Desinfekti-

onseffekt aus. Die Abweichung der Konzentrationen der einzelnen Tage von einem linea-

ren Anstieg, könnten Reaktionen einzelner Schimmelpilzarten auf die Änderungen der

Bedingungen, wie Temperaturerhöhung und abnehmende Material- und Luftfeuchte sein.

OSB-Material hat großes Wasserspeicherungsvermögen und wäre dadurch in der Lage,

die Bedingungen für den Schimmel während des Versuchsdurchlaufs relativ günstig zu

halten.

4.2.2 Ergebnisse der Ionenbehandlung bei Gipskarton


Abbildung 15: Darstellung des Keimverlaufs über den Zeitraum der Versuchsdurchführung bei Gipskarton

Gips ist das einzige Material welches beim Anlegen einer linearen Grade einen Abwärts-

trend der Keimkonzentration aufweist. Zudem sind besonders starke Schwankungen zwi-

schen den einzelnen Probenahmetagen zu notieren. Gipskarton besitzt ein geringes Was-

serspeicherungsvermögen. Dazu kommt, dass das Schimmelpilzwachstum lediglich auf

der aufgetragenen cellulosehaltigen Kartonage stattfand. Somit gab es keine geschützten

Keime im Kern des Materials und so gut wie alle Keime waren den Einflüssen ausgesetzt.

Die starken Schwankungen zwischen den einzelnen Tagen sind demzufolge Reaktionen

xerophiler Arten auf den Feuchteverlust.

4.2.3 Ergebnisse der Ionenbehandlung bei Polystyrol

Abbildung 16: Darstellung des Keimverlaufs über den Zeitraum der Versuchsdurchführung bei Polystyrol


Während der Versuchsdurchführung zeigt sich hinsichtlich der Keimkonzentrationen bei

Polystyrol Verhalten ähnlich dem OSB-Material. Es ist auch hier anzunehmen, dass die

Schimmelpilze während der Versuchsdurchführung von der im Material befindlichen

Restfeuchte zehrten und ein Wachstum xerophiler Arten während der Durchführung für

die Schwankungen der Keimkonzentrationen sorgte.

D i s k u s s i o n 3 9

5 Diskussion

5.1 Betrachtung der Versuchsreihe und Ergebnisse

Bei der Versuchsdurchführung zur Bewertung der Wirksamkeit des Ionisationsmodus,

wurde durch die Verwendung beimpfter und anschließend mehrwöchig kultivierter Pro-

bematerialien, eine Oberflächendesinfektion als Alternativverfahren zur eigentlich ge-

planten Durchführung geschaffen.

Die Anfangsschimmelkonzentrationen der untersuchten Prüfmaterialien waren sehr

gering.

Es wurde ein Feuchteschaden an den Materialien Polystyrol, Gips und Grobspanplatte

simuliert. Die Anfangskonzentration der Schimmelpilzkeime auf diesen Materialien war

für die Versuchszwecke ausreichend, blieb aber unterhalb der Erwartungen. Ursache wa-

ren wahrscheinlich unzureichende Wachstumsbedingungen bei der mehrwöchigen Kulti-

vierung nach der Beimpfung. Als Anhaltspunkt für diese Vermutung galt eine vermehrte

Detektion von sterilem Myzel in den Referenzproben und der Materialprobe von Tag 1.

Die Anfangsschimmelkonzentrationen der untersuchten Materialien unterschieden

sich stark voneinander.

Die Probematerialien wurden alle mit gleichem Volumen Schimmelsuspension beimpft.

Die entstandenen Unterschiede der Keimkonzentrationen lassen sich auf die unterschied-

lichen Materialeigenschaften zurückzuführen. Diese variieren in Kapillarität, vorhandener

Restfeuchte, Porenanzahl und –größe sowie dem Nährstoffangebot. Zur Kultivierung

wurden die Probematerialien in geschlossenen Kunststoffkästen mit kleinen Parzellen

gelagert. Bedingt durch die unterschiedliche Kapillarität der Materialien, variierten Mate-

rial- und Luftfeuchte, sodass es zur Bildung materialspezifischer Atmosphären in den

Kunststoffkisten kam. Zu geringe oder zu hohe Luft- bzw. Materialfeuchten beeinträchti-

gen die Ausbreitung und Entwicklung der Schimmelpilze. Zur besseren Vergleichbarkeit


der materialspezifischen Schimmelpilzentwicklung und –ausbreitung, wären zudem

gleichlange Kultivierungszeiträume von Vorteil gewesen. Diese waren nicht gegeben.

Abhängig vom Material bildeten sich verschiedene Schimmelpilzarten aus.

Unterschiedliche Schimmelpilzarten stellen unterschiedliche Anforderungen an Tempera-

tur, Feuchte und Nahrungsquelle. Über die Definition dieser Parameter wird somit einigen

Pilzarten der Vorzug gegeben, während andere in ihrer Entwicklung beeinträchtigt wer-

den. Darüber hinaus zeigen einige Pilzarten ein schnelleres Wachstum und neigen zur

Dominanz gegenüber anderen Arten. Penicillium ssp. etwa tendiert dazu andere Arten zu

überwachsen und beeinträchtigt diese massiv in Entwicklung und Ausbreitung. Es bleibt

zu erwähnen, dass die verwendeten Probematerialien mäßig stark mit Bakterien befallen

waren. Dies führte zu einem unterdrückten Schimmelpilzwachstum auf den MEA-

Nährböden.

Alle drei Konzentrationsverläufe weisen Symmetrien auf.

Die Konzentrationsverläufe der unterschiedlichen Materialien weisen einen ähnlichen

Zick-Zack-Verlauf auf. Dies gibt den Grund zur Annahme, dass es sich nicht um Fehler

in der Versuchsdurchführung handelt, sondern es ist viel mehr davon auszugehen, dass

xerophile Schimmelpilzarten ihr Wachstumsoptimum in den temporären Phasen der ab-

nehmenden Materialfeuchte fanden. Das sich zeitlich verändernde Milieu sorgte somit

für Veränderung des Konzentrationsgleichgewichtes zwischen hydrophilen6 und xerophi-

len Arten.

Die Ionisationsbehandlung funktionierte nicht.

Zwei Messverfahren wurden zur Ermittlung der Ionenkonzentration angewandt. Kapitel

3.3.1 beschreibt wie das Ionometer in eine Polystyrolbox gestellt wurde. Die Einleitung

des vom Konverter emittierten Plasmas in die Box erfolgte über eine etwa 80cm lange

Schlauchverbindung. Gemessen wurde eine mittlere Ionenkonzentration von ~43.500 Io-

6 Hydrophil – wasserliebend


nen/cm³. In einem zweiten Messaufbau wurde das Ionometer direkt im Konverter plat-

ziert. Der Seitenkanalverdichter war abgeschaltet und der Abstand zur Ionisationslampe

betrug 15cm. Der Mittelwert der Ionenkonzentration betrug ~1.940.500 Ionen/cm³. Die

Messwerte divergieren um den Faktor 45. Die emittierten Ionen waren demzufolge insta-

bil und haben sich bereits nach sehr kurzer Zeit neutralisiert. Dies könnte wesentlich zum

Scheitern der Ionisationsbehandlung beigetragen haben.


Während der Versuchsdurchführung wurde ein Anstieg der Keimkonzentration

beobachtet.

Die Keimkonzentration stieg während der Versuchsdurchführung deutlich an. Dies lässt

darauf schließen, dass die Wachstumsbedingungen im Rahmen des Versuches optimiert

wurden. Die Kultivierung der Pilze nach der Beimpfung erfolgte bei Raumtemperatur.

Diese betrug etwa 20°C. Über den Zeitraum der Behandlung wurde im Probenbehälter

eine konstante Temperatur von 29 – 30°C gemessen. Die Temperaturerhöhung ist auf die

Abwärme des Seitenkanalverdichters zurückzuführen und hatte wahrscheinlich einen An-

stieg der Keimbelastung zur Folge. Es ist anzunehmen, dass ein Fortsetzen der Behand-

lung die Materialfeuchte noch weiter reduziert und es ab einem bestimmten Punkt keine

Lebensgrundlage für die Schimmelpilze mehr gegeben hätte. Um dies zu belegen zu kön-

nen wäre jedoch eine Betrachtung weiterer Versuchstage nötig gewesen.

Fazit: Aufgabenstellung war es, mit einer ozonfreien Ionisationsquelle, Schimmelpilz-

kontaminationen zu eliminieren. Zum Einsatz kam eine Lampe die der Ionisation von

Raumluft dient. Bei der Durchführung der Messreihen konnte keine Desinfektionswir-

kung festgestellt werden. Das Versuchsziel wurde verfehlt.

Z u s a m m e n f a s s u n g u n d A u s b l i c k 4 3

6 Zusammenfassung und Ausblick

Ziel dieser Arbeit war es, den Prototyp einer Anlage zu entwickeln, der eine alternative

Sanierung mikrobiologischen Befalls im Fußbodendämmbereich ermöglicht. Durch die

Injektion von NTP in die betroffenen Bereiche, sollten Schimmelpilzkontaminationen

abgebaut und größere bauliche Eingriffe umgangen werden. Der Prototyp des dazu entwi-

ckelten Konverters verfügt über einen Ozonierungs- und einen Ionisierungsmodus. Der

Ozonierungsmodus sollte einen schnellen Sanierungsablauf in unbewohnten Gebäudetei-

len ermöglichen. Die Wahl des Ionisierungsmodus hätte die Sanierung bewohnter Räum-

lichkeiten gestattet.

Zur quantitativen Beurteilung des Konverters, sollte der experimentelle Teil dieser Arbeit

an fußbodenspezifischen Musterplatten durchgeführt werden. Es war geplant, beide Modi

einem 7-tägigen Versuchsdurchlauf zu unterziehen. Schon im Vorfeld sprang jedoch ein

wichtiger Kooperationspartner ab, was zu einem erheblichen Verzug im Zeitplan führte.

Im weiteren Verlauf gelang es nicht, ausreichend hohe Schimmelpilzkonzentrationen auf

den Fußbodenmusterplatten zu etablieren. Aufgrund der aufgetretenen Probleme und des

engen Zeitplans fand die Versuchsdurchführung an verfügbaren kontaminierten Prüfmate-

rialien statt. Von der Untersuchung des Ozonierungsmodus wurde abgesehen.

Im durchgeführten 7-tägigen Versuchsablauf wurde die Wirkung und Effizienz des Ioni-

sationsmodus an schimmelpilzkontaminierten bauspezifischen Prüfkörpern überprüft.

Veränderungen der Keimzahl wurden anhand der regelmäßig ausgewerteten Materialpro-

ben diagnostiziert.

Die Ergebnisse der Untersuchung des Ionisationsmodus wiesen in dem Betrachtungszeit-

raum von 7 Tagen keinen Erfolg auf. Raumionisationslampen eignen sich nicht für eine

gezielte Desinfektion, wie sie Gegenstand dieser Arbeit war. Die biologische Wirkung der

Z u s a m m e n f a s s u n g u n d A u s b l i c k 4 4

Lampe ist nicht auszuschließen. Die durch die UV-A/UV-B Strahlung entstehenden Io-

nen, sind jedoch äußerst kurzlebig und nach kurzer Zeit bereits neutralisiert.

Nach der Abgabe dieser Arbeit ist geplant, die nicht durchgeführte Untersuchung des O-

zonierungsmodus an den Fußbodenmusterplatten nachzuholen. Da der Ionisierungsmodus

keine Wirkung zeigte, ist ein Austausch der UV-Lampe vorgesehen. Geplant ist die In-

stallation einer UV-Lampe, die geringe Leistungsanteile ihrer Strahlung im Wellenlän-

genbereich von 176nm emittiert. Beabsichtigt wird eine geringe Ozonbildung im Ionisie-

rungsmodus. Um die daraus resultierenden Belastungen für den Menschen zu minimieren

erfolgt die Kopplung mit einem Ozonsensor. Dieser soll ein automatisches Abschalten der

Anlage veranlassen, sobald die Ozonkonzentration in einen für den Menschen bedenkli-

chen Bereich ansteigt.

L i t e r a t u r v e r z e i c h n i s 4 5

Literaturverzeichnis

[1] R. Kickuth: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF:

Plasmatechnik – Prozessvielfalt + Nachhaltigkeit. Bonn (2000)

[2] A. Rutscher: Wissensspeicher Plasmatechnik. VEB Fachbuchverlag Leipzig

(1983)

[3] G. Janzen: Plasmatechnik – Grundlagen, Anwendung, Diagnostik.

Hüthing Buchverlag GmbH, Heidelberg (1992)

[4] M. Kaufmann: Plasmaphysik und Fusionsforschung. B.G. Teubner GmbH,

Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden (2003)

[5] G. Janzen: Plasmatechnik – Grundlagen, Anwendung, Diagnostik.

Hüthing Buchverlag GmbH, Heidelberg (1992)

[6] H. Hägele: Niederdruck-Plasmasterilisation – Ein Verfahren zur Entkeimung von

Pharmabehältnissen bei niedrigen Temperaturen. Institut für Fertigung und

Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart (2005)

[7] M. Rüdiger: Erprobung einer Methode zur Sanierung von mikrobiologischem


Befall und Brandschäden durch nicht thermisches Plasma. Fachhochschule Jena

(2008)

[8] G. Hertz: Einführung in die Plasmaphysik und ihre technische Anwendung.

Akademie-Verlag Berlin (1968)

[9] U. Stroth: Vorlesung zur Plasmaphysik – Parameter typischer Plasmen.

Universität Stuttgart (26.05.2009)

[10] H. Sandermann: Ozon – Entstehung, Wirkung, Risiken.

Verlag C.H. Beck München (2001)

[11] Umweltbundesamt für Mensch und Umwelt: Hintergrundinformation

Sommersmog. Berlin (2005)

[12] T. Smola: BIA – Report 10/96 – Ozon. Berufsgenossenschaftliches Institut für

Arbeitssicherheit, Sankt Augustin (1996)

[13] U. Feister: Ozon – Sonnenbrille der Erde. Teubner Verlagsgesellschaft,

Frankfurt am Main (1990)

[14] T. Smola: BIA – Report 10/96 – Ozon. Berufsgenossenschaftliches Institut für

Arbeitssicherheit, Sankt Augustin (1996)

[15] M. Möller: Das Ozon – eine physikalisch-chemische Einzeldarstellung.


Vieweg Verlag, Braunschweig (1921)

[16] O. Hohn: Hochdruckmikroentladungen mit hohem Gasfluss – Eine Quelle zur

Erzeugung von Ionen und spinnpolarisierten metastabilen Atomen. Frankfurt am

Main (2002)

[17] Anorganische und Allgemeine Chemie für Naturwissenschaftler: Vorlesungsskript

Universität Kiel (2006)

[18 ] M. Blei: Bewertungen von Pilzbelastungen in Innenräumen, Seite 4.

ZWA Leipzig (2008)

[19] Schimmelpilze – Erkennen, Bewerten, Sanieren. IGU Ingenieurbüro

Gesundheit + Umwelt (2004)

[20] Leitfaden zur Vorbeugung, Untersuchung, Bewertung und Sanierung von

Schimmelpilzwachstum in Innenräumen. Umweltbundesamt Dessau-Roßlau

(2002)

[21] S. Bitterle: Möglichkeiten des Nachweises und der Identifizierung potentieller

biologischer Kampfstoffe. GALG-Seminararbeit (2002)

[22] U. Kück et. ali.: Schimmelpilze – Lebensweise, Nutzen, Schaden, Bekämpfung.

Springer-Verlag (2009)


[23] Biostoffverordnung (BioStoffV): Verordnung über Sicherheit und

Gesundheitsschutz bei Tätigkeiten mit biologischen Arbeitsstoffen (27.01.1999)

[24] G. Führer: Sachgerechte Sanierung von Schimmelschäden. Fachkongress des

Bundesverbandes für Umweltberatung e.V., Würzburg (2006)

[25] Heipha Diagnostika: Datenblatt – Malzextrakt-Agar bzw. Datenblatt – DG 18 mit Chloramphenicol www.heipha.de (20.07.2009)

[26] Lorenz et ali.: Sanierung von Feuchte- und Schimmelpilzschäden. Verlag Rudolf

Müller Köln (2005)

A b s t r a c t D e u t s c h 4 9

Abstract Deutsch

Der Austausch von schimmelpilzkontaminiertem Baumaterialien in Fußbodenaufbauten

ist mit großem finanziellem und logistischem Aufwand verbunden. Aufgabe war es, ein

Gerät zu entwickeln, dass es ermöglicht, Kontaminationen zu beseitigen ohne die betrof-

fenen Baustoffe auszutauschen. Das Prinzip der Anlage beruht auf der stark oxidierenden

Wirkung von ozonhaltiger und ionisierter Luft. Durch den Einsatz von Ionisierungslam-

pen sollten Ozon- und Ionenkonzentrationen erzeugt werden, die zur raschen Zersetzung

der schädlichen organischen Verbindungen führen. Unterschiedliche Leistungsmodi soll-

ten es ermöglichen, die Anlage individuell der Größe des Raumes und dem Grad der Kon-

tamination anzupassen. Wirksamkeit und Effizienz der Anlage sollten Untersucht werden.

Geplant waren praxisnahe Tests an innenraumspezifischen Fußbodenmusterplatten, gefer-

tigt nach DIN 18560 „Estriche im Bauwesen“. Durch mehrere ungeplante Vorkommnisse,

war die Realisierung dieses Vorhabens zeitlich jedoch nicht mehr einzurichten.

In den durchgeführten Untersuchungen wurden Wirkung und Effizienz des Ionisations-

modus‘ genauer untersucht. Die Erprobung erfolgte an den bauspezifischen Materialien

Grobspanplatten (OSB), Schaumpolystyrol und Gipskarton. Stark mit Schimmel befallen,

wurden die genannten Materialien 7 Tage dem vom Konverter emittierten Ionenstrom von

~43.500 Ionen/cm³ ausgesetzt. Nach 1, 3, 5 und 7 Tagen wurden Materialproben zur Ana-

lyse der Keimbelastung nach VDI 4300 Blatt 10 entnommen und nach 7-tägiger Kultivie-

rung bei 25°C ausgewertet.

Die Desinfektion im Ionisationsmodus versagte. Nach der 7-tägigen Behandlung, war

keine Reduzierung der Keimzahlen festzustellen. Die verwendete Ionisationsquelle, er-

wies sich als ungeeignet für die erprobte Anwendung, sodass die Keimbelastung während

der Behandlung sogar anstieg. Grund war der durch den Seitenkanalverdichter verursach-

te Temperaturanstieg und die Restfeuchte der Probematerialien.

A b s t r a c t D e u t s c h 5 0

A b s t r a c t E n g l i s h 5 1

Abstract English

Exchange of fungus contaminated building materials of flooring superstructures requires

enormous financial expenses and logistic coordination. The set objective was to develop a

machine, that makes is possible to dispose contamination without exchanging the affected

nutrient. The basic principle of the machine is based on the strongly oxidizing effect of

ozoniferous and ionized air. Ozon and ion concentrations were produced by the use of

ionization lamps, which lead to rapid decomposition of the noxious organic compounds.

Different power modes were supposed to enable an individual regulation, depending on

size and level of the contamination.

The main target was to examine effectiveness and efficiency of the machine; it was

planned to implement practical orientated tests on interior-specific floortypes, that were

manufactured according to DIN 18560 “Estriche im Bauwesen”. Due to several unex-

pected occurrences, the project realization could not be finished as planned previously.

In the accomplished analyses effect and efficiency of the ionization mode were examined

more exactly. Build-specific materials such as oriented strand board (OSB), foam polysty-

rene and gypsum served as testing materials. These materials, strongly affected by fungus,

have been exposed to the ion stream for 7 days. To analyse the germ load, samples of the

materials were taken out for analysis according to VDI 4300 page 10 on the first, third,

fifth an seventh day. After a cultivation period of seven days at a temperature level of

25°C, materials have been evaluated.

The disinfection in the ionization mode failed. After the seventh day of treatment, no re-

duction of the germ number could be identified. The used source of ionization has turned

out to be not suitable for this test, since the germ load even rose during the treatment. The

reason for this can be seen in the increased temperature caused by the by-pass-channel-

compression and the remaining humidity of the tested materials.

S e l b s t s t ä n d i g k e i t s e r k l ä r u n g 5 2

Selbstständigkeitserklärung

Ich erkläre, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbstständig und nur unter Verwen-

dung der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe.

S e l b s t s t ä n d i g k e i t s e r k l ä r u n g 5 3

Jena, den 23. Juli 2009 __________________________

T. Jurk

A n h a n g 5 4

Anhang

Messprotokoll Ozonmessung „Ozonierungsmodus“……………………………………..45

Messprotokoll Ozonmessung „Ionisationsmodus“……………………………………….46

Messprotokoll Ionenmessung…………………………………………………………….47

Technische Zeichnung des Konverters…………………………………..……………….48

A n h a n g 5 5

Messprotokoll Ozonmessung „Ozonierungsmodus“

Messort: Luftgütemessstation FH-Jena

Datum der Messung: 24.06.2009

Messgerät: Ozonanalysator ML8810

Temperatur: 19°C

Relative Luftfeuchte: 63%

Luftdruck: 992hPa

O3-Hintergrund aus der Umgebungsluft: 26ppb

Die Abnahme der 3 Liter des Probegases erfolgte direkt aus dem Abluftschlauch des O-

zonkonverters. Zur Verdünnung wurden weitere 3 Liter aus der Umgebungsluft entnom-

men.

Tabelle 7: Übersicht der gemessenen Einzelwerte bei der Ozonmessung im Ozonierungsmodus

Messung Gemessene Konzentration

verdünnt [ppm]

Gemessene Konzentration

unverdünnt [ppm]

1 5,81 11,61

2 5,86 11,71

3 6,08 12,15

4 6,09 12,17

5 5,77 11,53

Mittelwert 5,92 11,83

A n h a n g 5 6

Messprotokoll Ozonmessung „Ionisationsmodus“

Messort: Luftgütemessstation FH-Jena


Messgerät: Ozonanalysator ML8810

Temperatur: 24°C

Relative Luftfeuchte: 73%

Luftdruck: 993hPa

O3-Hintergrund aus der Umgebungsluft: 27ppb

Die Abnahme der 6 Liter des Probegases erfolgt direkt aus dem Abluftschlauch des O-

zonkonverters.

Tabelle 8: Übersicht der gemessenen Einzelwerte bei der Ozonmessung im Ionisationsmodus

Messung Gemessene Ozonkonzentration

[ppb]

1 18

2 17

3 17

4 16

5 17

Mittelwert 17

Bemerkung:

A n h a n g 5 7

Bei der Ozonmessung im Ionisationsmodus, wurde ein Abbau des in der Umgebungsluft

vorkommenden Ozons gemessen. Die Ursache hierfür ist der Ausgleich der Ladungen der

ionisierten Luft, wobei das Ozon der Atmosphäre in natürliche Sauerstoffcluster bzw.

geladene Sauerstoffmoleküle konvertiert wird.

A n h a n g 5 8

Messprotokoll Ionenmessung

Messort: Keller Blei Insitut


Messgerät: Ionometer IM 806

Temperatur: 20,6°C

Relative Luftfeuchte: 73,3%

Luftdruck: 986hPa

Ionenhintergrund aus der Umgebungsluft: ~750 Ionen/cm³

A n h a n g 5 9

Abbildung 17: Darstellung der zusammengefassten Ionenmessung der beiden Modi Ionisation und Ozonierung

Gemessene Ionenkonzentration im Ionisationsmodus: 43.396 Ionen/cm³

Gemessene Ionenkonzentration im Ozonierungsmodus: 1.960.736 Ionen/cm³

Bachelorarbeit Tobias Jurk - Blei Institut

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