Emissions- und Hygienekontrolle durch visuelle CO2‑Detektion

Im Rahmen des Forschungsvorhabens ist es gelungen, verschiedene Enzym-Indikatorlösungen in Hydrogelen zu immobilisieren und daraus mittels Tropf- und Sprühverfahren erste Beschichtungen herzustellen. Die effizienteste Beschichtungslösung basierte auf hochviskosen Na-Alginat-Partikeln, die als Microcarrier für das Enzym Carboanhydrase, sowie den pH-Indikator Bromthymolblau fungierten. Über die poröse Struktur des Hydrogels konnten Luftfeuchtigkeit und CO₂ aus der Umgebungsluft in die Partikel diffundieren und dort enzymatisch zu Kohlensäure umgesetzt werden, wodurch eine messbare pH-Wert-Änderung entstand. In Abhängigkeit von Zusammensetzung und CO₂-Konzentration reagierte Bromthymolblau auf diese Verschiebung des chemischen Gleichgewichts mit einem sichtbaren Farbumschlag von blau (basisch) über grün (neutral) zu gelb (sauer). Die Funktionsfähigkeit der Enzym-Indikatorlösungen, sowie der daraus hergestellten Hydrogele konnte sowohl unter kontinuierlicher Begasung mit 5,0 % CO₂, als auch in unmittelbarer Umgebung mikrobieller CO₂-Produzenten (Candida albicans DSM 1386 und Escherichia coli DSM 1576) erfolgreich nachgewiesen werden.

Weiterhin wurden supramolekulare Gaskomplexe („Gassammelfallen“) in die Beschichtungslösung integriert, um die CO₂-Absorption zu erhöhen und so den enzymatischen Substratumsatz sowie den Farbumschlag zu verstärken. Die untersuchten Substanzen N-Methyldiethanolamin und γ-Cyclodextrin zeigten jedoch keinen positiven Effekt. Zur Verringerung von Austrocknungseffekten wurde der Einfluss verschiedener Feuchthaltemittel (Glycerin, 1,2-Propandiol und D-Sorbit) untersucht. Dabei erwies sich die Zugabe von 2,0 % D-Sorbit als besonders vorteilhaft, da sie die Verdunstungsrate am effektivsten reduzierte und zugleich stabile, homogene Partikel erzeugte. Ergänzend wurden die Alginatpartikel in LDPE-Folien eingeschweißt, wodurch ein wirksamer Verdunstungsschutz bei gleichzeitig ungehindertem CO₂-Transport nachzuweisen war. Dieser Effekt bestätigte sich auch in Langzeituntersuchungen durch Lagerung der Hydrogele bei Raumtemperatur bzw. 37 °C mit und ohne Ventilation für bis zu 35 Tage. Zugleich erhöhte die LDPE-Folie die mikrobielle Beständigkeit der Beschichtungen gegenüber Schimmelpilzbefall nach DIN EN ISO 846-A.

Zusammenfassend konnte damit eine funktionelle enzymatisch-responsive Beschichtung auf Alginatbasis entwickelt werden, die CO₂-bedingte pH-Änderungen zuverlässig visualisiert und zugleich durch geeignete Additive und Schutzschichten eine verbesserte Stabilität und Beständigkeit aufweist.

Die entwickelte Beschichtung bietet ein einfaches, kostengünstiges und wartungsarmes Indikatorsystem zur lokalen CO₂-Überwachung in Industrie- und Gebäudetechnik. Sie ermöglicht die visuelle Detektion von CO₂-Leckagen an Anlagen und Transportleitungen, etwa im Kontext von CO₂-Abscheidungs- und Speicherinfrastrukturen. Zudem kann sie mikrobiell erzeugtes CO₂ auf Luftfiltermedien, wie raumlufttechnischen Anlagen, sichtbar machen und zur Überwachung von CO₂-Grenzwerten in industriellen Prozessen sowie in geschlossenen oder schlecht belüfteten Räumen eingesetzt werden.