- Kontext
- Bachelor-Thesis, FHNW
- Zeitraum
- 09.2025 - 08.2026
- Auftraggeber
- Universität Basel (Projekt RIQAP)
- Schwerpunkte
- Messtechnik, Thermodynamik, Systemintegration
Ausgangslage
Im Projekt RIQAP (Realtime Identification and Quantification of Airborne Pathogens) der FHNW und Universität Basel wird ein vollautomatisches System zur Echtzeiterfassung luftgetragener Krankheitserreger entwickelt. Dafür müssen Aerosolpartikel aus einem Luftstrom von über 100 L/min in weniger als 1 mL/min Probeflüssigkeit überführt werden. Kommerzielle Particle-into-Liquid Sampler (PILS) erreichen diese Durchflussraten nicht. Zudem dürfen die Partikel keinen Temperaturen über 50 °C ausgesetzt werden, um die Krankheitserreger nicht zu schädigen.
Im Rahmen meiner Thesis entwickelte und charakterisierte ich einen neuartigen PILS auf Basis des kondensationsgetriebenen Partikelwachstums. Dabei werden die Aerosolpartikel durch Wasserdampfübersättigung zu mikrometergrossen Tröpfchen vergrössert und anschliessend aus dem Luftstrom abgeschieden.
Systemaufbau
- Aerosolkonditionierer: Ein beheiztes Wasserbad mit Temperaturregelung. Das Aerosol wird über die Wasseroberfläche geleitet und dadurch auf ca. 40 °C erwärmt sowie mit Wasserdampf gesättigt.
- Wärmetauscher: Ein koaxialer Luft-Wasser Gegenstrom-Wärmetauscher wird aussen von 4 °C kaltem Kühlmittel umströmt. Beim Abkühlen der warmen, feuchten Luft entsteht gezielt eine Übersättigung im Aerosol. Die nanometergrossen Partikel wachsen zu mikrometergrossen Tröpfchen an, die anschliessend abgeschieden werden können.
- Kondensatfalle: Der Wärmetauscher steht vertikal, damit Wandkondensat abfliesst und keine Sedimentationsverluste entstehen.
Messtechnik
Zur Charakterisierung wurde ein definiertes Referenzaerosol aus monodispersen NaCl- und Russpartikeln verwendet, dessen Partikelgrösse mittels Differentialmobilitätsanalysator (DMA) selektiert wurde. Dabei wurden folgende Grössen simultan erfasst:
- Eingang: Partikelkonzentration mittels Kondensationspartikelzähler (TSI CPC)
- Ausgang: Tröpfchenkonzentration und -grösse mit optischen Partikelzählern (Alphasense OPC und Fidas Palas)
- Prozess: Temperaturen mittels Thermoelementen und PicoLog-Datenlogger
- Messautomation: Integration und Steuerung sämtlicher Messgeräte über Python
Aus dem Verhältnis der Tröpfchenkonzentration am Ausgang zur Partikelkonzentration am Eingang wurde das Aktivierungsverhältnis bestimmt. Dieses beschreibt den Anteil der Partikel, die zu Tröpfchen anwachsen, und dient als zentrale Kenngrösse zur Untersuchung und Optimierung der Prozessparameter.
Ergebnisse
- Volumenstrom als dominierender Einflussfaktor: Bei zunehmenden Durchfluss sinkt das Aktivierungsverhältnis deutlich. Hauptursache ist die verkürzte Verweilzeit im Wärmetauscher. Der verbesserte konvektive Wärmeübergang durch turbulente Strömung kann diesen Effekt nicht kompensieren.
- Übersättigung von rund 5 %: Die erreichte Übersättigung wurde unabhängig voneinander anhand der Aktivierungsgrenze von Russ und der Partikelwachstumsdynamik abgeschätzt.
- Tröpfchengrössen von 5-8 µm: Die resultierende Tröpfchengrösse ist weitgehend unabhängig von der ursprünglichen Partikelgrösse (50-200 nm). Aufgrund der Latex-Kalibrierung des OPC liegen die tatsächlichen Wassertröpfchen schätzungsweise 17 % grösser.
- Aktivierung verschiedener Pathogengruppen: Die erreichte Übersättigung bietet gute Voraussetzungen für die Aktivierung bakterieller und pilzlicher Partikel. Auch Viren müssten aufgrund ihrer häufigen Einbettung in mucusartige Trägermedien unter diesen Bedingungen aktiviert werden.
Skalierung und Ausblick
Weil sich der Einzelkanal nur bei etwa 20 L/min sinnvoll betreiben lässt, wurde der Wärmetauscher zu einem sechskanaligen Parallelaufbau weiterentwickelt, um den geforderten Gesamtvolumenstrom von über 100 L/min zu erreichen. Der Einzelkanal ist vollständig charakterisiert. Als nächste Schritte folgen die messtechnische Validierung des Gesamtsystems und die Untersuchung der Abscheideeffizienz mit dem Aerosolabscheider.
Für eine Weiterentwicklung wurde ein kompakteres Konzept mit direkt gekühltem Block und Peltier-Elementen skizziert.
