Plasma im biologischen Katastrophenschutz

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) initiierten Programms „Forschung für die zivile Sicherheit“ kam das dreijährige Förderprojekt MoPlasDekon (Mobile Plasma-Dekontamination) im August d.J. zum Abschluss. Mit einer neu entwickelten, mobilen Plasmatechnik soll es erstmals möglich werden, die erforderliche Entkeimung verseuchter Oberflächen ohne gesundheitsgefährdende und umweltbelastende Chemikalien an gleich welchem Ort in der Welt durchzuführen.

Vor dem Hintergrund der wachsenden Globalisierung mit ihren größeren Menschen- und Warenströmungen zwischen den Ländern und Kontinenten der Erde und einer ständig zunehmenden Weltbevölkerung haben laut Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) Epidemien das Potential sich weit schneller als früher auszubreiten. Auch der Klimawandel mit seinen ungeahnten Folgen in Hinblick auf neue biologische Gefahren – wie zum Beispiel die Ausbreitung bislang unbekannter Infektionskrankheiten durch Tiere und Pflanzen – bedeutet für die Zukunft eine große Herausforderung für die Katastrophenschützer. Hinzu kommt die reale Gefährdung durch terroristische Anschläge mit biologischen Kampfstoffen. Die Wirksamkeit dieser Massenvernichtungswaffen, bei denen die pathogenen biologischen Agenzien wie Mikroorganismen (Bakterien, Viren, Pilze) und Toxine gezielt zum Einsatz gebracht werden, kann durch Genmanipulation und chemische Verfahren sogar noch gesteigert werden.

Das Projekt

Als sich im September 2016 die drei Verbundpartner Plasmatreat GmbH, Steinhagen, Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV), Freising und m-u-t GmbH, Wedel, zum Forschungsprojekt MoPlasDekon zusammenschlossen, geschah dies mit dem Ziel, ein neuartiges, mobiles Plasmasystem für die schnelle chemikalienfreie Dekontamination von verseuchten Gegenständen zu entwickeln und dessen Wirksamkeit sowie die praktischen Einsatzmöglichkeiten zu erforschen. Mit der entwickelten Plasmatechnologie lassen sich im Gegensatz zu chemischen Methoden gefährliche Krankheitserreger in kürzester Zeit auf diversen Oberflächen umweltfreundlich eliminieren. Einmal zum Industrieprodukt gereift, soll der Plasma-Desinfektor in Zukunft Kunststoff-Schutzanzüge der Einsatzkräfte ebenso schnell und effektiv reinigen können, wie auch die Innenräume ganzer Krankentransportwagen (Bild 1). Mit dem innovativen Verfahren werden die Helfer geschützt und die Ausbreitung von Krankheitserregern wird verhindert, ohne dass gesundheitsgefährdende Chemikalien angewendet werden müssen.

Vereintes Expertenwissen

Technische Entwicklung und Design der Plasmaanlage selbst waren Aufgabe des Projektpartners Plasmatreat. Mit dem im Rahmen des Projekts entwickelte Demonstrator des Plasmasystems (Bild 2) erfolgte beim Fraunhofer IVV die mikrobiologische Evaluation der Anlage. Dabei testeten die Forscher mit Bakterien, Pilzen und Viren auf unterschiedlichen Materialoberflächen die Wirksamkeit des Plasmas in Hinblick auf die Dekontamination und Desinfektion der biologischen Krankheitserreger. Der dritte Projektpartner, der norddeutsche Sensoren- und Steuerungsspezialist m-u-t entwickelte spezielle Gas-Analysatoren. Zwei dieser Sensoren senden ihre Daten direkt an den mobilen Stromgenerator des Plasmasystems. Einer von ihnen misst das Plasma am Düsenausgang bei Beginn der Dekontaminationsphase, der andere befindet sich im Inneren des Krankenwagens und meldet dem Generator den Punkt, an dem eine ausreichende Konzentration des desinfizierenden Plasmagases in dem verseuchten Innenraum erreicht ist.

Fachberatend unterstützt wurden die MoPlasDekon-Partner von vier assoziierten Projektpartnern aus der Praxis: von der Spezialeinheit Analytische Task Force Biologie (ATF B) der Feuerwehr Essen, den Rettungs- und Katastrophenexperten des Bayerischen Roten Kreuzes (BRK) und dem hessischen Händler von Sonderzelten Inhag Zelte und Zubehör. Vierter Ratgeber war die zentrale Bundeseinrichtung für Krankheitsüberwachung und -prävention, das Robert Koch-Institut (RKI), Berlin, welches selbst eine Einsatzgruppe für biologische Gefahrenlagen unterhält.

Chemische Dekontamination

Die Dekontamination und Desinfektion verseuchter Gegenstände erfolgt i. A. mit Chemikalien. Legen Rettungskräfte ihre speziellen Schutzanzüge nach Einsatzende ab, sind sie durch Krankheitserreger, die an diesen Anzügen anhaften, in hohem Maße gefährdet. Die Helfer werden daher vor dem Ausziehen in einem Dekontaminationszelt mit chemischen Lösungen abgespritzt oder die Anwendungslösung wird durch Gießen bzw. Duschen aufgebracht und anschließend mit Hilfe einer weichen Bürste auf dem Schutzanzug von oben nach unten verteilt. Pathogene Mikroorganismen dürfen nicht verbleiben.

Zur Abtötung der vegetativen Bakterien, Pilze, sporiziden Erreger sowie zur Inaktivierung von Viren werden dabei vornehmlich Stoffe wie Peroxyessigsäure (PES) oder Wasserstoffperoxid verwendet. Die Chemikalien sind nicht nur gefährlich für die Gesundheit und äußerst umweltbelastend, sie müssen auch mit oft großem logistischen Aufwand in die verseuchten Gebiete gebracht und dort vorgehalten werden. Nach ihrer Anwendung ist zudem ihre gewissenhafte Entsorgung erforderlich.

Ganz anders ist es im Fall von MoPlasDekon. Die gesamte vorgenannte Problematik wäre beim Einsatz der mobilen Plasmadekontamination nicht gegeben. Das neue System benötigt nur elektrische Energie und Luft als Prozessgas.

Chemiefreie Entkeimung mit Plasma

Im Fall der MoPlasDekon-Technik handelt es sich zwar um ein unter Normaldruck erzeugtes Plasmagas, welches aber anders, als das in der Industrie zur Reinigung und Aktivierung von Materialoberflächen angewandte Openair-Plasma des Herstellers nicht mit Hilfe einer lichtbogenartigen Entladung generiert wird. „Die neu entwickelte Sterilisationsdüse mit der Bezeichnung CD-40 bedient sich zur Erzeugung des Plasmas einer dielektrischen Barriereentladung (Dielectric Barrier Discharge, DBD)“, erläutert Dr. Alexander Knospe, Leiter Innovationsmanagement bei Plasmatreat und MoPlasDekon Verbundkoordinator. „Mit dieser Technologie wird im Gegensatz zum üblichen Atmosphärendruckplasma ein reaktives Plasmagas mit langer Lebensdauer erzeugt, das sich zur Desinfektion und sogar Sterilisation von größeren Volumina von bis zu 5 m3 eignet.“ Das Volumen entspricht in etwa dem Rauminhalt eines Krankentransportwagens, der mit dem DBD-Verfahren auf diese Art völlig chemiefrei in etwa ein bis zwei Stunden entkeimt werden kann.

Zur Sicherstellung eines kontinuierlichen und reproduzierbaren Betriebs wird der gesamte Plasmaprozess spektroskopisch überwacht (Bild 3). Gefragt nach den in den Tests bislang behandelten Materialien sagt Prof. Dr. Thomas Schmitt-John, Leiter der Abteilung Plasma-Life-Science des Anlagenbauers: „Wir haben Versuche auf Glas-, Kunststoff- und Metalloberflächen durchgeführt und bisher keinen Unterschied bei der Entkeimungsleistung festgestellt. Da das DBD-Plasmagas relativ kalt ist und der Abstand der Düse zum Substrat ohnehin groß ist, können auch thermisch empfindliche Kunststoffe entkeimt werden.“

Mit der neu entwickelten Düse (Bild 4) konnte eine Keimreduktion von 6 log Stufen erreicht werden. Der Wert entspricht einer Reduktion von Bakterien um den Faktor eine Million, was den Anforderungen für eine Sterilisation genügt. Die bislang durchgeführten Entkeimungstests endeten nach Aussage Schmitt-Johns mit dem erfolgreichen Ergebnis, dass der MoPlasDekon-Technologie eine sowohl bakterizide und fungizide wie auch antivirale und sporizide Wirkung attestiert werden kann.

Praxisorientierte Lösung

Für den Fall, dass es an der Einsatzstelle keinen Stromanschluss und auch sonst keine Möglichkeit gibt, die Stromversorgung über eine Netzspannung zu ermöglichen, verfügen Rettungsorganisationen über eigene Notstromaggregate. An ein solches würde die Plasmaeinheit bei Stromausfall angeschlossen. Doch sollte, aus gleich welchem Grund, auch dieser Stromerzeuger nicht funktionieren, so wäre es mit dem für MoPlasDekon entwickelten Plasmasystem dennoch möglich, die notwendige Desinfektion durchzuführen. Schmitt-John: „Normalerweise werden die Plasma-Stromgeneratoren mit Netzstrom betrieben. Doch die CD-40-Anlage verfügt über eine Besonderheit: Sie besitzt einen eingebauten Lithium-Ionen-Akku als Ausfallsicherung. Er kann nicht nur an jeder Steckdose, sondern im Notfall auch jederzeit über die Autobatterie eines Einsatzfahrzeugs der Katastrophenschützer aufgeladen werden.“

Jeder Einsatz in Gebieten mit biologischen Gefahrenlagen – ganz gleich, ob sie sich in unwegsamen Gegenden oder in einer Stadt, in einem Land der Dritten Welt und einem westlichen Staat ereignen – erfordert von den Rettungskräften den schnellstmöglichen Einsatz sowie den schnellstmöglichen Transport der gesamten Rettungsausrüstung an die Gefahrenstelle. Berücksichtigt man Menge und Gewicht der Ausrüstungsgegenstände, so zählt verständlicherweise dabei jedes Gramm weniger. Dass es sich bei dem Plasma-Desinfektor um ein mobiles und kompaktes, von einem Menschen tragbares Gerät handeln müsse, war erklärtes technisches Ziel des Forschungsprojekts. Ein solches Gerät gibt es bislang nicht. Die in der Industrie für Desinfektionszwecke eingesetzten Plasmasysteme sind auf Grund ihres Gewichts und der benötigten stationären Energieversorgung fest in die Anlagen eingebaut. Das zukünftige MoPlasDekon-Industrieprodukt wird dagegen mit nur 25 kg Gewicht schnell überall einsetzbar und die Stromversorgung wird durch den integrierten Akku in Notfällen sicherstellt. Der Generator soll noch weit bedienerfreundlicher als der Demonstrator gestaltet werden. Er wird eine vollautomatische Vorprogrammierung besitzen und das Bedienfeld nur noch zwei Schalter, die ein Helfer antippen braucht: Ein und Aus (Bild 5).

Fazit

Nach Auslaufen des BMBF-Förderprojekts läuft die Entwicklung des mobilen Plasma-Dekontaminationssystems zur Serienreife weiter. An dem Endgerät interessierte Investoren finden Vielversprechendes vor: Das erste mobile, per Gassensorik überwachte High-Tech-Plasmasystem für den Katastrophenschutz, das in der Lage ist, netzstromunabhängig an jedem Einsatzort der Welt gefährliche Krankheitserreger auf Gegenständen zu eliminieren – schnell, sicher und völlig chemiefrei.

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Kontakt:

Plasmatreat GmbH
Ansprechpartner: Dr. Alexander Knospe, E-Mail: alexander.knospe@plasmatreat.de
www.plasmatreat.de

Autor: Inès A. Melamies, Fachjournalistin, Internationales Pressebüro Facts4You.de