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Dekontamination

Der Forschungsschwerpunkt befasst sich mit der Entwicklung und Optimierung von Plasma-basierten Prozessen zur Dekontamination und Hygiene für den Umweltschutz, zur Arbeits- und persönlichen Sicherheit, in der Lebensmittelhygiene und in medizinischen Einrichtungen. Plasmatechnik wird dabei zum Abbau biologischer und chemischer Verunreinigungen von Oberflächen, Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt.

Mikroorganismen lassen sich gezielt inaktivieren und auch beseitigen ohne den Träger zu schädigen. Plasmen sind daher besonders für die Entkeimung von thermolabilen Instrumenten, Kunststoffartikeln, Textilen und selbst Haut geeignet. Deswegen beschäftigt sich ein Teil der Forschung mit der plasmabasierten Dekontamination von empfindlichen Materialien und Produkten aus dem Bereich der Medizin. Maßgeschneiderte Plasma-basierte Behandlungen verbessern die Hygiene von Geräteoberflächen (z.B. Endoskope), Luft (z.B. in einem Operationssaal) oder auch Flüssigkeiten (z.B. Krankenhausabwasser). Darüber hinaus wird die Anwendung von physikalischem Plasma zum Entfernen kritischer Verunreinigungen in frischen Nahrungsmitteln untersucht. Die chemische Dekontamination durch Plasma wird beispielsweise zur Beseitigung von toxischen (z.B. Stickoxiden) oder unerwünschten Schadstoffen (einschließlich Gerüchen) in Luft- oder Abgasströmen verwendet, welche sich mit herkömmlichen Systemen nur schwer oder überhaupt nicht abbauen lassen. In der Abwasserbehandlung können Plasmen zur Zerstörung von hartnäckigen Verbindungen wie pharmazeutischen Rückständen (z.B. Diclofenac) oder Radiokontrastmittel (Diatrizoat) beitragen.


Anwendungsfelder

Das Forschungsthema „Clean Air“ widmet sich der Entwicklung neuer plasmabasierter Verfahren zum Schadstoffabbau in Gasströmen, einschließlich Luft. In Kombination mit weiteren Verfahren, z.B. Filtersystemen, zielen diese insgesamt auf den Abbau von Substanzen, die sich mit anderen Methoden nur schwer oder überhaupt nicht beseitigen lassen. Plasma, als wichtige Oxidationstechnologie (Advanced Oxidation Technology), stellt hierfür einen vielversprechenden Ansatz dar. Durch die hohe Reaktivität können auch schwer abbaubare Stoffe aufgeschlossen werden. Zudem haben sich Plasmen als äußerst effizient in der Dekontamination von über die Luft übertragenen Krankheitserregern erwiesen. Unsere Forschungsaktivitäten zielen auf ein tieferes Verständnis der Elementarprozesse und Mechanismen der nicht-thermischen Plasmachemie als Basis für die Optimierung von Reaktoren und Prozessen zur Abluft- und Abgasbehandlung.

Das Forschungsthema „Clean Water“ konzentriert sich auf die mikrobielle und chemische Dekontamination von flüssigen Medien. Dabei unterscheiden sich Methoden, um ein Plasma in oder an die Flüssigkeit heranzubringen, von der der Behandlung von Gasen. Zudem ergeben sich weitere Möglichkeiten, wie die Anwendung gepulster elektrischer Felder, die eine effiziente Entkeimung erlauben. Auf dieser Basis werde gezielt fortgeschrittene Dekontaminationsmethoden entwickelt. Im und am Wasser erzeugte Entladungen können sehr effektiv bei problematischen Kontaminationen z.B. in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt werden. Gerade biologisch nur schwer abbaubare Stoffe wie Medikamente oder Pestizide, verlangen nach neuen, effizienten Methoden. Plasmaverfahren stellen hier eine umweltschonende und kostengünstige Alternative dar, mit der nicht nur Mikroorganismen auch ohne den Einsatz von Chemikalien wie z.B. Chlor inaktiviert werden, sondern zudem chemische Schadstoffe aufgebrochen werden können.

Im Forschungsthema „Clean Food“ wird die Nutzung von Plasma in der Lebensmittelindustrie erforscht. Zielsetzung ist es, Transportwege und Verpackungen in der Lebensmittelindustrie mittels Plasmen zu mikrobiell sauber zu halten, sowie Obst und Gemüse nach der Ernte schonend haltbarer zu machen. Damit sollen nicht nur Ernteverluste verringert, sondern auch die Nahrungsmittelhygiene insgesamt nachhaltig verbessert und durch Lebensmittel verursachten Infektionen vorgebeugt werden. Verfolgt wird die Idee, mittels Plasma effizient antimikrobiell wirksame Spezies, insbesondere Radikale und Metastabile, zu generieren. Diese sind einerseits mikrobiologisch aktiv und werden andererseits innerhalb verfahrenstypischer Zeiten abgebaut, so dass mögliche Auswirkung auf das Produkt minimiert und eine Gefährdung des Konsumenten ausgeschlossen werden können. Um die Forschungsaktivitäten hinsichtlich der Entwicklung, Fertigung und Vermarktung von plasmabasierten Systemen zur effizienten, schonenden Dekontamination von Lebensmitteln, Produktionsmitteln und deren Verpackungen voranzutreiben, engagiert sich das INP als aktiver Partner im Netzwerk Plasma4Food.  

Beim Forschungsthema „Clean Healthcare“ liegt der Schwerpunkt auf der plasmabasierten biologischen Dekontamination und möglichen Sterilisation von empfindlichen Materialien und Medizinprodukten. Dafür werden Plasmaquellen speziell für medizinische Anforderungen, wie z.B. im Bereich der Endoskopie, entwickelt.


Projektthemen

Als Teil des Sonderforschungsbereichs/Transregio 24 "Grundlagen komplexer Plasmen" (2005) beinhaltet das Projekt zum einen die Analyse des raumzeitlichen Verhaltens der Spezies und chemischen Prozesse in reaktiven Nichtgleichgewichtsplasmen. Zum anderen wird die Wechselwirkung derartiger Plasmen mit Oberflächen mittels hydrodynamischer Modellierung, kinetischen Methoden so­wie Hybridverfahren untersucht.

Die theoretischen Untersuchungen konzentrieren sich in der Förderperiode 2013 bis 2017 auf molekulare Entladungsplasmen bei Nieder- und Atmosphärendruck, welche Sauerstoff, Stickstoff oder siliziumorganische Beimischungen enthalten. Die Adaptierung geeigneter plasmachemischer Modelle und ihre Einbindung in die hydrodynamischen, kinetischen oder hybriden Verfahren ermöglicht es, die Plasmaeigenschaften zu charakterisieren, sowie den Einfluss einzelner Spezies und der reaktionskinetischen Prozesse im Volumen oder auf den Oberflächen zu bewerten und das Verständnis der Wechselwirkung von Plasmadynamik und Strömungsdynamik zu verbessern.

Die untersuchten Plasmen und Entladungen finden Anwendung in vielen Plasmatechnologien wie z.B. dem Schadstoffbau, der Ozonerzeugung, der Plasmabehandlung von Materialoberflächen und der Dünnschichtabscheidung.

Projektleiter:
Priv.-Doz. Dr. Detlef Loffhagen
Tel.: +49 3834 - 554 320
loffhageninp-greifswaldde

Innerhalb der Lebensmittelproduktionskette pflanzlicher Lebensmittel kann Keimbefall zu Problemen in der Lebensmittelsicherheit und zu Ernte- und Lagerverlusten führen. Produzenten und Verarbeiter von Frischeprodukten sind aufgrund der unmittelbaren wirtschaftlichen Konsequenzen im hohen Maße an einer Reduzierung von Gefährdungen und entsprechenden Verlusten interessiert. Eine zusätzliche Sensibilisierung für diese Thematik wurde 2011 durch EHEC hervorgerufen.

Die Inaktivierung von Mikroorganismen auf natürlichen Oberflächen bei gleichzeitigem Erhalt der wertgebenden Inhaltsstoffe der pflanzlichen Matrix stellt eine technologische Herausforderung dar. Wegen des immensen Kostendrucks können nur relativ kosteneffiziente Verfahren zum Einsatz gebracht werden. Die Kernidee unserer diesbezüglichen Forschungsarbeiten ist es, mittels Plasma effizient antimikrobiell wirksame Spezies, insbesondere Radikale und Metastabile, zu generieren, die einerseits mikrobiologisch aktiv und andererseits innerhalb verfahrenstypischer Zeiten abgebaut werden, so dass mögliche Auswirkung auf das Produkt minimiert und eine Gefährdung des Konsumenten ausgeschlossen werden kann. Ziel ist eine Ertragssteigerung zu ermöglichen und gleichzeitig die Sicherheit für den Verbraucher zu erhöhen. Weitere Anwendungsbereiche finden sich im Bereich von Verpackungen, Transportbehältnissen, Anlagenteilen und Medizinprodukten. 


Publikationen

Brandenburg, R.; Kovacevic, V.-V.; Schmidt, M.; Basner, R.; Kettlitz, M.; Sretenovic, G.-B.; Obradovic, B.-M.; Kuraica, M.-M.; Weltmann, K.-D.:
Plasma-Based Pollutant Degradation in Gas Streams: Status, Examples and Outlook
DOI: 10.1002/ctpp.201310059, Contrib. Plasma Phys. 54 (2014), p. 202 – 214

Banaschik, R.; Lukes, P.; Jablonowski, H.; Hammer, M.-U.; Kolb, J.-F.; Weltmann, K.-D.:
Potential of pulsed corona discharges generated in water for the degradation of persistent pharmaceutical residues
DOI:10.1016/j.watres.2015.07.018, Water Research 84 (2015), p. 127-135

Schnabel, U.; Andrasch, M.; Ehlbeck, J.; Weltmann, K.-D.:
Inactivation of Vegetative Microorganisms and Bacillus atrophaeus Endospores by Reactive Nitrogen Species (RNS)
Plasma Process. Polym. 11 (2014), p. 110-116

Kontakt

Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald

Prof. Jürgen Kolb
Forschungsschwerpunktleiter Dekontamination

Tel.: +49 3834 - 554 3950
Fax: +49 3834 - 554 301

juergen.kolbinp-greifswaldde
www.leibniz-inp.de

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