Verschiedene Mikroorganismen reagieren unterschiedlich auf die chemische Zusammensetzung des Plasmas bei Atmosphärendruck. Die ausgefeilte Prozesssteuerung im Plasmareaktor MediPlas™ kann die keimtötende Wirkung von Ozon, Stickoxiden, Wasserstoffperoxid oder Säuren gezielt verstärken.
Die sogenannte geräuschlose Entladung, die dielektrische Barriereentladung (DBD), ist schon lange bekannt. Bisher kam sie vor allem bei der Ozonerzeugung und der Abgasbehandlung zum Einsatz. In jüngster Zeit hat das Interesse an der DBD stark zugenommen und konzentriert sich auf Desinfektion, Sterilisation und gezielte biologische Manipulation. Diese Anwendungen stellen wesentlich höhere Anforderungen an die Steuerung des in einem DBD-Reaktor erzeugten Plasmagases. Gleichzeitig ist für den breiten Einsatz solcher Geräte nötig, dass sie kompakt, mobil und preisgünstig sind. Im medizinischen Bereich sind Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit von entscheidender Bedeutung. MediPlas erfüllt diese Anforderungen und kann die chemischen Prozesse und damit die erzeugten reaktionsfähigen Verbindungen kontrollieren.
Eingesetzte Methoden für die Steuerung von MediPlas
Die technischen und physikalischen Möglichkeiten, mit denen sich die chemischen Prozesse im MediPlas-System kontrollieren lassen, sind folgende.
1. Einsatz unterschiedlicher Eingangsgase
Je nach angestrebter Zusammensetzung einer chemischen Verbindung kann das MediPlas-System verschiedene Eingangsgase verwenden. Mit reinem Sauerstoff ergibt sich die höchste Ozonkonzentration. Um Stickoxide zu erzeugen, muss ein Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff die DBD passieren. Diese beiden Gase lassen sich in jedem beliebigen Verhältnis mischen, aber das am häufigsten verwendete Medium ist trockene Luft mit 20% Sauerstoff. Bei Feuchtigkeit öffnen sich zusätzliche Reaktionskanäle, wodurch Wasserstoffperoxid und eine Vielzahl von Säuren auf Stickstoffbasis entstehen.
2. Einstellung der Eingangsspannung
Um die DBD zu steuern, muss die Entladungsspannung richtig eingestellt werden. Dies unterscheidet sich erheblich von einer klassischen Gleichspannungsentladung, die zur Erzeugung von Lichtbögen verwendet wird, da DBD nur mit Wechselspannung zünden kann. Gleichstrom kann die dielektrische Barriere nicht durchdringen. Daher muss sich die Spannung, die die dielektrische Barriere passiert und die Entladungsspannung zwischen den Elektroden und der dielektrischen Oberfläche erzeugt, schnell ändern. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Frequenz der angelegten Spannung. Je höher sie ist, desto geringer ist der kapazitive Widerstand der dielektrischen Barriere, und desto effizienter ist die DBD.
3. Pulsbreitenmodulation
Bestimmte chemische Prozesse laufen mit zunehmender Entladungsspannung effizienter ab. So begünstigt beispielsweise eine hohe Spannung die Bildung von Stickoxiden. Andererseits führt eine hohe Spannung auch zu einer höheren Wärmezufuhr in die Entladung, sodass die Temperatur unerwünscht ansteigt. Damit sowohl die Spannung hoch als auch die Wärmebelastung niedrig bleibt, bedient man sich der Pulsweitenmodulation (PWM). Dabei wird die Elektrode nicht kontinuierlich, sondern mit kurzen Spannungsimpulsen beaufschlagt. Kennzeichnend dafür ist das Tastverhältnis, das angibt, wie viel Prozent der Zeit die Entladungskammer mit Spannung versorgt wird. In der übrigen Zeit ist die Spannungsversorgung abgeschaltet. Dieser Prozentsatz lässt sich am MediPlas-Driver unabhängig von der Spannung einstellen.
4. Peltier Kühlung
Während der Entladung lässt sich die Wärmebelastung nicht nur durch eine PWM, sondern auch durch eine direkte Kühlung der Elektroden und der dielektrischen Barriere verringern. Ein erheblicher Teil des Stroms, der dem Plasmareaktor zugeführt wird, geht in Wärme über, die für einen dauerhaft stabilen Betrieb effizient aus dem Entladungsbereich abzuführen ist. Dies kann mit der Peltier-Kühlung effektiv erreicht werden. Ein leiser Ventilator unterstützt die Wärmeabfuhr zusätzlich.
Wie effizient die Peltier-Kühlung ist, hängt nicht nur vom verwendeten Entladungsgas ab, sondern auch von anderen Betriebsparametern im MediPlas-System. Unter „kalten“ Bedingungen – geringe Leistungsaufnahme, niedriges PWM-Tastverhältnis, hohe Gasströme – wirkt die Peltier-Kühlung nur marginal. Im „heißen“ Betrieb – hohe Leistungsaufnahme, großes PWM-Tastverhältnis, geringer Gasfluss – ist der Effekt jedoch sehr groß.
5. Innovative DBD-Elektrode
Titan schützt die Elektroden vor Korrosion durch Ozon, denn die Oberflächenstruktur der Elektrode ist entscheidend bei der Entladung. Sie ist strukturiert und nicht glatt, wie in typischen DBD-Reaktoren. Durch Ätzen lassen sich Mikrosäulen erzeugen, die sich zwischen der dielektrischen Barriere und der metallischen Elektrode befinden. Sie erfüllen zwei Funktionen: Erstens dienen sie als Abstandshalter, um den Abstand zwischen der Metall-Elektrode und der dielektrischen Barriere konstant zu halten; zweitens unterstützen sie den Wärmeaustausch zwischen der Elektrode und der Peltier-gekühlten dielektrischen Platte.
Abschließend ist festzustellen, dass das MediPlas-System zwar auf dem bewährten und seit Jahren etablierten Konzept der stillen Entladung basiert, dass aber zahlreiche technologische Innovationen wie die Peltier-Kühlung, die Pulsweitenmodulation und die strukturierte Elektrode für eine hohe Effizienz, aber auch für eine große Flexibilität bei der Gestaltung der chemischen Wirkung.
