Biochemische Auswirkungen von Plasma

Dekontamination, Desinfektion oder Sterilisation mithilfe reaktiver Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen, die im MediPlasTM-Reactor erzeugt werden, bieten eine zukunftsweisende Alternative zu anderen Methoden. Gründe dafür sind die niedrige Temperatur, der hohe Wirkungsgrad und der Verzicht auf umweltbedenkliche Chemikalien. Die zugrundeliegenden Mechanismen unterscheiden sich je nach zugeführtem Prozessgas und den daraus resultierenden reaktiven Verbindungen. Desinfektion und Sterilisation mit Ozon sind bereits in vielen Anwendungen etabliert, aber auch Wasserstoffperoxid, Stickoxide und Säuren können die Reinigungswirkung verstärken oder erweitern. MediPlas bietet zusätzliche Prozessparameter, um das Gasgemisch zu beeinflussen.

1. Ozon

Da Ozon die Zellwände von Mikroorganismen durchdringen und mit Zellbestandteilen wie Proteinen und Nukleinsäuren reagieren kann, ist es ein wirksames Oxidationsmittel und damit ein wirksames antimikrobielles Mittel. Dadurch kann Ozon die Zellen schädigen und inaktivieren oder zum Zelltod führen, was das Risiko von resistenten Mikroorganismen verringert. Da Biofilme gegenüber vielen herkömmlichen Desinfektionsmitteln beständig sind, stellt der Einsatz von gasförmigem und in Wasser gelöstem Ozon eine vielversprechende Technik dar, um Biofilme zu inaktivieren, und wurde bereits erfolgreich untersucht.

Wie wirksam Ozon desinfiziert oder sterilisiert, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Ozonkonzentration, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Einwirkungsdauer. Höhere Ozonkonzentrationen und längere Einwirkungszeiten führen im Allgemeinen dazu, dass Mikroorganismen stärker abgetötet werden. Die optimalen Bedingungen können jedoch je nach Art des Mikroorganismus und der spezifischen Anwendung variieren. Je nach Anwendungsfall ist beim MediPlas-System Folgendes zu beachten:

• Die höchste Erzeugungsrate von Ozon (in g/h) wird bei mittlerer Leistungsdichte im Reactor (z. B. bei 15 V Betriebsspannung) und maximalem Luftstrom (z. B. 10 l/min), vorzugsweise mit trockener Druckluft, erreicht. Der integrierte thermoelektrische Kühler (TEC) ist auf optimale Leistung eingestellt (typischerweise bei etwa 2 A Strom am TEC), und der Ventilator läuft mit maximaler Drehzahl.
• Am höchsten ist die Ozonkonzentration (in ppm oder g/l) bei niedrigen Durchflussraten (<1 L/min (typ.)) mit trockener Luft oder reinem Sauerstoff. Die Leistungsdichte sollte auf einen mittleren Wert eingestellt werden (z. B. bei 15 V Eingangsspannung am Treiber). Der TEC sollte auf einen Punkt mit optimaler Wärmeabfuhr eingestellt sein (z. B. auf 2 A), und der Lüfter läuft mit voller Drehzahl.
  

2. Stickoxide

Gasförmiges Stickstoffdioxid (NO2) eignet sich unter anderem dazu, medizinische Instrumente, Geräte und Oberflächen zu sterilisieren. Dieses Verfahren funktioniert bei Raumtemperatur, ist in niedriger Konzentration wirksam, wirkt schnell und hinterlässt nur minimale Rückstände. NO2 durchdringt Verpackungen problemlos, ohne zu kondensieren. Tests haben gezeigt, dass Stickstoffdioxid gegen Bakterien, Sporen, Pilze und Viren wirksam ist und den Sterilisationsnormen entspricht.

Um hohe NOx-Emissionen (gemessen in ppm) mit dem MediPlas-System zu erreichen, ist der Reactor auf eine hohe Leistungsdichte einzustellen. Die Kühlung, bestehend aus dem TEC und dem Ventilator, soll sicherstellen, dass die Gastemperatur am Auslass eine bestimmte Solltemperatur, z. B. +70 °C, nicht überschreitet.

3. Wasserstoffperoxid und Säuren

Wasserstoffperoxid wirkt gegen ein breites Spektrum von Mikroorganismen, darunter Bakterien, Hefen, Pilze, Viren und Sporen. Studien haben gezeigt, dass die Wirksamkeit gegen verschiedene Krankheitserreger je nach Konzentration und Einwirkungszeit variiert.

Stickstoffhaltige Säuren wie Salpetersäure (HNO3) und salpetrige Säure (HNO2) bilden sich durch Reaktion mit Stickoxiden (NO2 und NO). Salpetersäure wirkt stark oxidierend und ist eine starke Säure mit antimikrobiellen Eigenschaften, die sich zur Desinfektion einsetzen lässt. Die Säure wirkt gegen Bakterien, Pilze und Viren, indem sie deren Zellmembranen zerstört und Proteine denaturiert.

Sobald Feuchtigkeit dem Prozessgas zugesetzt wird, bilden sich stickstoffhaltige Säuren wie HNO3 und Wasserstoffperoxide. Höhere Feuchtigkeit im Prozessgas, eine niedrige Reaktortemperatur und eine hohe Leistungsdichte können die Produktionsrate von stickstoffhaltigen Säuren im MediPlas-Reactor erhöhen.

Die kompakte Lösung im DBD-Plasmareaktor MediPlas wird im Parallelbeitrag „MediPlasTM von TDK – Das nächste Level für die Niedertemperatur-Sterilisation“ vorgestellt. Mit den technischen Aspekten der generierten chemisch reaktiven Substanzen befasst sich der Beitrag „Steuerung der Chemie bei Plasmasterilisation“.