Desinfektion durch Oxidation

Was ist eigentlich eine Oxidation?

Und was hat Oxidation eigentlich mit Desinfektion zu tun? Eine von mehreren Definitionen für Oxidation beschreibt eine chemische Reaktion zwischen einem Element oder einer chemischen Verbindung mit dem Element Sauerstoff. So kann sich beispielsweise aus dem Element Eisen die chemische Verbindung Eisenoxid bilden. Dabei werden dem Eisen Elektronen entzogen, die das Element Sauerstoff übernimmt. Das Eisen wird demnach oxidiert und der Sauerstoff reduziert. Diese Reaktion wird auch Redoxreaktion genannt.

 

Soweit so gut. Aber die Verhältnisse sind weitaus komplizierter. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Möglichkeiten von Redoxreaktionen, und eigentlich ist fast jede chemische Reaktion unter dieser Kategorie einzuordnen. Das Resultat solcher Reaktionen sind stets neu entstehende chemische Verbindungen mit neuen Eigenschaften. Die ursprünglichen Eigenschaften der Reaktanten gehen dabei vollständig verloren. Ein klassisches Beispiel ist die Verbrennung von Kohlenstoff bzw. von kohlenstoffhaltigen Molekülen. Es entstehen stets Kohlenoxide, die sich als neu entstehende Gase verflüchtigen können.

Allerdings existieren noch eine ganze Reihe viel stärkerer Oxidationsmittel als gasförmiger Luftsauerstoff. Solche starken Oxidationsmittel wären beispielsweise Ozon, Fluor, Chlor, Hypochlorite, Permanganate, Schwefeloxide, Stickoxide, Perborate, Percarbonate, Persäuren und Peroxide wie z.B. das Wasserstoffperoxid. Ein Einsatz von Oxidationsmitteln findet u.a. beim Waschen und Bleichen von Textilien oder in der Papierherstellung statt. Bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern wird traditionell mit Nitratsalzen, Chloraten, Perchloraten oder anderen sauerstoffliefernden Salzen gearbeitet.

Desinfektion durch Oxidation

Nicht zuletzt sind oxidierende Verbindungen bei der Verwendung als Desinfektionsmittel eine wichtige Verbindungsklasse, weil bei deren Einsatz auch komplexe organische Moleküle oxidativ zerstört und deren Funktion nachhaltig gestört wird. Lebende Zellen sind aus komplexen Proteinen aufgebaut, die wiederum aus Aminosäuren bestehen.

Werden einzelne Bereiche dieser Proteine durch Oxidationsreaktionen verändert, wird die gesamte Proteinstruktur gestört. Die Proteine können ihre ursprüngliche Funktion nicht mehr wahrnehmen und die Zelle mutiert bzw. stirbt vollständig ab. Somit können durch oxidative Prozesse Bakterien, Pilze, Viren und auch Prionen zerstört werden. Wenn die Oxidation gezielt gegen Pathogene (krankmachende Erreger) vorgenommen wird, spricht man von Desinfektion. Werden Erreger vollständig eliminiert, handelt es sich um Sterilisation.

Wer also eine gründliche Desinfektionsmaßnahme durchführen will, benötigt ein wirksames Oxidationsmittel und ein wenig Erfahrung. Grundsätzlich kann auch mit geeigneten, nicht oxidierend wirkenden Verbindungen eine Desinfektion durchgeführt werden. Allerdings haben sich bereits viele Erreger gegen die gängigen und biozid wirkenden chemischen Verbindungen gewappnet. Sie sind schlichtweg resistent gegen die gängigen Desinfektionsmittel. Häufig eingesetzte Biozide wirken einfach nicht gegen alle Erreger, sondern nur selektiv, d.h. einige Arten von Erregern werden eliminiert, andere jedoch nicht.

Welche Oxidationsmittel eignen sich zur Desinfektion?

Wer hingegen eine geeignete, oxidierend wirkende chemische Verbindung zu Reinigungszwecken benutzt, kann davon ausgehen, dass auch alle Arten von Erregern angegriffen werden. Das wäre dann eine sichere Desinfektionsmaßnahme. Aber Vorsicht! Zu stark wirkende und zu hoch konzentrierte Oxidationsmittel machen auch vor menschlichen Körperzellen und empfindlichen Oberflächen nicht Halt und können mitunter erheblichen Schaden anrichten.

Das Standardprodukt für alle Zwecke ist die Chlorbleiche (Natrium-Hypochlorit, nicht Chlor!). Im Handel als Chlorreiniger kostengünstig erhältlich und schnell wirkend kann es fast überall eingesetzt werden. Gegen üble Gerüche, Verfärbungen im Fliesenspiegel, gegen Schwarzschimmelbefall an Decken, Wänden und in Silikonfugen. In der fleischverarbeitenden Industrie ist es das Reinigungs- und Desinfektionsmittel der Wahl. Schon bei niedrigen Konzentrationen ab 1% wirkt es bleichend und stark desinfizierend. Die stark alkalischen Lösungen zerfallen schnell in Sauerstoff und Natriumchlorid (Kochsalz). Nachteilig wirkt sich der auftretende Chlorgeruch bei der Anwendung aus, so dass stets gut gelüftet werden muss. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn Chlorreiniger mit Säuren in Kontakt kommen, wie z.B. mit kalklösenden Sanitärreinigern. Das Hypochlorit zersetzt sich in diesem Fall spontan zu Chlorgas, was lebensgefährliche Auswirkungen haben kann. Weit verbreitet war diese Chlorverbindung auch in der Textil- und Paiperindustrie als Bleichmittel. Heute werden vorrangig umweltfreundlichere Bleichmittel auf Sauerstoffbasis verwendet.

Chlordioxid, welches ebenfalls nicht mit gasförmigem Chlor zu verwechseln ist, hat in der Technik den Einsatz von Chlorgas weitgehend ersetzt, da es weniger giftige oder gesundheitsschädliche chlorierte organische Verbindungen bei der Reaktion mit organischen Molekülen bildet. So wird es ebenfalls bei der Trinkwasseraufbereitung anstelle von Chlor eingesetzt.

Ozon ist ein Gas, welches im Gegensatz zu natürlich vorkommendem Sauerstoff nicht zwei, sondern drei Sauerstoffatome im Molekül enthält. Aus diesem Grunde ist es hochreaktiv und zerfällt rasch wieder zum „normalen“, zweiatomigen Sauerstoff. Bei diesem Zerfall wirkt es stark oxidierend und kann auf Zellstrukturen zerstörend wirken. Gezielt hergestellt und angewendet kann Ozon zur Desinfektion von Wasser, Luft und auch Räumen dienen. Ozon wirkt effektiver als Chlorbleichmittel und ist wesentlich umweltfreundlicher, da als „Abfallprodukt“ ausschließlich reiner (Luft-)Sauerstoff entsteht. Ozon kann mittels sogenannter Ozon-Generatoren hergestellt werden, also unter Verwendung von UV-Licht oder mittels einer elektrischen Entladung bei Spannungen von über 5.000 Volt (Corona).

Eines der bekanntesten Peroxide auf Sauerstoffbasis ist das Wasserstoffperoxid. Es wird zum Entfärben, Bleichen und zur Desinfektion benutzt. Je nach Konzentration kann es ab 3% Gehalt zur Desinfektion oder ab höheren Konzentrationen auch zum Bleichen genutzt werden. Die im Handel verfügbaren 30- und 50%igen wässrigen Lösungen sind jedoch gefährlich, ätzend und brandfördernd.

Wesentlich stärker und reaktiver als Wasserstoffperoxid wirken die organischen Persäuren, sogenannte Peroxycarbonsäuren. Der bekannteste Vertreter dieser Verbindungen ist die Peressigsäure (PES),  die im großtechnischen Maßstab hergestellt wird, und Bereits in Konzentrationen ab 0,1% bestens zu Desinfektionszwecken geeignet ist. Peressigsäure wirkt gegen alle Arten von Erregern und wirkt somit bakterizid, sporizid, fungizid und viruzid. Ab einer Konzentration von ca. 0,5% riecht Peressigsäure allerdings schon stechend und unangenehm, so dass für den Endanwender geeignete anwendungsfertige Mischungen bzw. Konzentrate weitere Inhaltsstoffe enthalten müssen, um diesen Effekt zu minimieren. Lösungen mit einer PES-Konzentration ab ca. 0,3% können bereits zur Entsorgung von Zellkulturen (Agar Petrischalen) verwendet werden, wenn diese über Nacht darin aufbewahrt werden. Im Seuchenfall werden neben Hypochlorit-haltigen Lösungen (siehe oben) auch Desinfektionslösungen mit 1%iger PES zur Entseuchung von PSA sowie der Umgebung verwendet. Peressigsäure im Konzentrationsbereich zwischen 0,1% und 1% ist somit eine universell und weitgehend gefahrlos anwendbare Flüssigkeit zur hygienischen Reinigung bzw. Desinfektion, da sie organische Moleküle aus dem unbelebten sowie auch aus dem belebten Bereich schnell oxidiert und unschädlich macht. Die Abprodukte bestehen ausschließlich aus Sauerstoff, Essigsäure und Wasser, was diese Verbindungsklasse äußerst umweltfreundlich macht.

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