DE202004020459U1

DE202004020459U1 - Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE202004020459U1
Application number: DE202004020459U
Authority: DE
Original assignee: Buettner Klaus Dipl-Ing
Current assignee: Buettner Klaus Dipl-Ing
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2014-06-29

Abstract

Vorrichtung zur Behandlung von wässrigen Flüssigkeiten, insbesondere zur Verringerung des Anteils an solchen Bestandteilen (vor allem Endotoxine), die unerwünscht oder gar im menschlichen Körper gefährlich sind, gekennzeichnet durch eine sich innerhalb der Flüssigkeit befindliche Ultraschallquelle zum Einwirken auf die Flüssigkeit in einem Druckreaktionsraum durch die über Kavitationsvorgänge in der Flüssigkeit Hydroxylradikale aus dem wässrigen Anteil der Flüssigkeit gebildet werden, wobei der Reaktionsraum unter erhöhtem Druck (4000 bar) gehalten wird und Bestandteile bzw. Endotoxine durch Hydroxylradikale in unwirksame Bestandteile bzw. Endotoxinreste und auch Wasserstoffperoxid abgespalten werden und durch eine Ultraschallquelle zum Einwirken auf das Wasserstoffperoxid mittels einer Wellenlänge vorzugsweise von 253,7 nm, zur Bildung weiterer Hydroxylradikale aus dem Wasserstoffperoxid, die ihrerseits wiederum zur zusätzlichen Aufspaltung von Endotoxinen führen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Behandlung von wässrigen Flüssigkeiten zur Verringerung des Anteils an solchen Bestandteilen, die unerwünscht oder im menschlichen Körper gar gefährlich sind (vor allem Endotoxine).
Zu diesen Flüssigkeiten sollen gehören: In der Landwirtschaft und in der Getränke- und Nahrungsmittelindustrie anfallende Flüssigkeiten, Dialyseflüssigkeiten sowie Flüssigkeiten, die bei höchsten Anforderungen an ihre Reinheit praktisch frei von störenden Restbestandteilen sein müssen.
Unter derartigen Bestandteilen werden in dieser Anmeldung u. a. Keime, Sporen, Herbizide, Fungizide, Pestizide, Restdüngemittel, Restmedikamente, Toxine und insbesondere Endotoxine verstanden.
Es ist bekannt Ultraschall einzusetzen, um Flüssigkeiten zu desinfizieren. Wenngleich hier Einflüsse auch auf Endotoxine zu erwarten sind, so hat sich doch in Versuchen gezeigt, dass mit Hilfe des Ultraschalls sich in biologischen Flüssigkeiten der Anteil an Endotoxinen nicht hinreichend herabsetzen lässt, schon gar nicht so, dass von Endotoxinfreiheit gesprochen werden kann, d.h. unter 0,4 EU/ml an Endotoxinen in der Flüssigkeit verbleiben.
Es ist auch bekannt, Wasserstoffperoxid zur Entkeimung von Flüssigkeiten einzusetzen, wenngleich dessen Reaktion mit organischen Substraten träge abläuft. Eine Einwirkung auf Endotoxine wäre nur dann möglich, wenn mit relativ hohen Konzentrationen vorgegangen wird. Dies führt dann zwangsläufig dazu, dass in der behandelten Flüssigkeit Rest-Wasserstoffperoxid verbleibt, dass seinerseits die Zellwände im menschlichen Körper angreift, so dass der Versuch, auf diesem Wege die Endotoxineinwirkung zu verringern, unweigerlich zu einem nicht tragbaren Risiko führt.
Es ist auch bekannt, Keime in Flüssigkeiten mit Hilfe von UV-Strahlung zu inaktivieren. Versuche in dieser Richtung haben jedoch keine Verringerung des Anteils an Endotoxin in Flüssigkeiten gezeigt.
Unter Endotoxinen sollen allgemein Giftstoffe von Mikroorganismen verstanden werden, die von den äußeren Zellmembranen gramnegativer Bakterien stammen und im Wesentlichen aus thermostabilen Lipopolysacchariden bestehen. Die toxische Komponente der Endotoxine ist das Lipid A, ein Phospholipid aus einem Glucosamindisaccharid, das an den Hydroxyl – und Aminogruppen mit Fettsäuren verestert ist. Größere Mengen von Endotoxinen werden beim Absterben von gramnegativen Bakterien frei und können zu Schockerscheinungen bei den betroffenen Personen führen.
Die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht auf die Behandlung von Flüssigkeiten hinsichtlich der Endotoxinfreiheit begrenzt sein, sondern auch allgemein einsetzbar sein, wenn es darum geht, jene Bestandteile aus wasserhaltigen Flüssigkeiten zu entfernen.
Für die vorliegende Erfindung ist die Kombination von Merkmalen wesentlich, bedeutsam sind jedoch auch die sich daraus ergebenden Wechselwirkungen, die bislang in diesem Zusammenhang nicht eingesetzt oder beschrieben worden sind.
Es geht bei der Erfindung zunächst einmal darum, Kavitationserscheinungen in einer Flüssigkeit durch die Einwirkung einer Ultraschallquelle zu erzeugen. Kavitationserscheinungen werden in strömenden Flüssigkeiten bei Geschwindigkeitsänderungen beobachtet, wobei bei Beschleunigung sich Druckerniedrigungen ergeben können, die zu Dampfbläschen führen, wobei sich Druckstöße bis zu 10.000 bar und örtliche Temperaturerhöhungen im Bereich von 10.000 K ergeben können, die sich an benachbarten Körpern, also z.B. an Laufrädern von Wasserturbinen oder Schiffsschrauben zerstörerisch bemerkbar machen.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es jedoch um Kavitationserscheinungen in der Flüssigkeit selbst und daher ist ein wesentliches Merkmal, dass die Ultraschallquelle, die Verursacher der Kavitationserscheinungen ist, sich innerhalb der zu behandelnden Flüssigkeit befindet. Dadurch bilden sich in der Nähe der Ultraschallquelle vor allem Hydroxylradikale. Die Hydroxylradikale wirken auf die Endotoxine ein und es finden Vorgänge statt, bei denen sich Wasser, Kohlendioxid und ein unwirksamer Endotoxinrest ergibt.
Kavitation und UV-Strahlung wirken in einer Art energetischer Koppelung zumindest in einem gewissen Raum und zur gleichen Zeit in der zu behandelnden Flüssigkeit miteinander. Die sich im Einzelnen abspielenden physikalischen Vorgänge sind noch nicht hinlänglich untersucht worden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der mit der Erfindung erzielte Wirkungsgrad (z. B. Endotoxinfreiheit) deutlich erhöht werden kann, wenn der Druck im Reaktor erhöht wird. Schon einige 100 bar haben dies bestätigt, wenngleich einige 1000 bar zu anteilen an Restbestandteilen führen, die messtechnisch nicht mehr erfasst werden können.
Nun haben Versuche gezeigt, dass nicht alle Hydroxylradikale auf Endotoxine treffen, sondern eben durchaus auch mit anderen Hydroxylradikalen reagieren können und hierdurch entsteht Wasserstoffperoxid.
Gemäß der Erfindung ist nun weiterhin erkannt worden, dass Wasserstoffperoxid bei der Behandlung von biologischen Flüssigkeiten durchaus nicht erwünscht ist, sondern dass eine Vorkehrung getroffen werden muss, um die Wasserstoffperoxidmoleküle in ihrer Wirkung auszuschalten oder besser noch im Sinne der Erfindung förderlich einzusetzen. Dies wird durch den zusätzlichen Einsatz einer UV-Quelle möglich gemacht, die nun wiederum bewirkt, dass Wasserstoffperoxidmoleküle in erwünschte Hydroxylradikale umgebildet werden, die in der bereits beschriebenen Art und Weise auf Endotoxine einwirken.
Mit Hilfe der Vorrichtung gemäß der Erfindung konnten Flüssigkeiten nicht nur im Sinne der Definition endotoxinfrei gemacht werden, sondern so weit von wirksamen Endotoxinen befreit werden, dass der Gehalt an verbliebenen Endotoxinen unterhalb der Nachweisgrenze (0,06 EU/ml) lag.
Nachfolgend einige ergänzende Erläuterungen zu den Merkmalen der Erfindung:
Einwirken auf die Flüssigkeit mittels einer solchen innerhalb der Flüssigkeit befindlichen Ultraschallquelle, durch die über Kavitationsvorgänge in der Flüssigkeit Hydroxylradikale aus dem wässrigen Anteil der Flüssigkeit gebildet werden.
Reaktionsgleichung: H₂O → H + OH 2H → H₂ OH + OH → 2OH → H₂O₂
Der physikalisch chemische Prozess läuft in reinem Wasser so ab. Wenn aber im Wasser biologische Verunreinigungen – z. B. Endotoxine – sind, kann der physikalisch chemische Prozess auch so ablaufen: OH+Endotoxin → H₂O+CO₂ + N...-(Stickstoffrest) = Entwicklungsziel : unwirksames Endotoxin
Aufspalten der Endotoxine durch die Hydroxylradikale in unwirksame Endotoxinreste, wobei auch Wasserstoffperoxid durch die Hydroxylradikale entsteht. Ein Hydroxylradikal hat eine Nanosekunde (10^–9 sec) Zeit sich zu orientieren und reagiert wie folgt: OH + OH → H₂O₂ oder mit einem Endotoxin OH+Endotoxin → H₂O+CO₂ + N...-(Stickstoffrest) = Entwicklungsziel : unwirksames Endotoxin
Einwirken auf die Wasserstoffperoxydmoleküle mittels einer UV-Strahlung zur Bildung weiterer Hydroxylradikale aus dem Wasserstoffperoxyd, die ihrerseits wiederum zur zusätzlichen Aufspaltung von Endotoxinen führen.
Weil die jeweilige „Lebenszeit" für ein Hydroxylradikal von einer Nanosekunde zu kurz ist und die Menge der erzeugten Hydroxylradikale aus verständlichen und vor allen Dingen notwendigen Gründen gering sein muss, wird mit den UV-Strahlen ein Wirkmechanismus eingesetzt, die geringe Menge der erzeugten Hydroxylradikale solange wirksam zu behalten, bis sie ein Endotoxin „gefunden" haben.
Reaktionsgleichung: H₂O₂ + hv_(UV) → OH + OH
Schlussfolgerung
So wenig Hydroxylradikale wie möglich – aber so viel wie nötig – durch Schall / Kavitation erzeugen. Damit eine gute Ausbeute erzielt wird, wird durch UV die Bildung von H₂O₂ dauernd unterbrochen, so dass die aggressiven Hydroxylradikale irgendwann (Verweildauer oder Flüssigkeit im Reaktorfeld, das ist der Bereich, wo Kavitation und UV gleichzeitig wirken!), an die Endotoxine gelangen, es also einen Treffer gibt. Im Idealfall werden die Hydroxylradikale auf diese Weise „verbraucht".
Hierzu sind folgende Kriterien wichtig
Für Schall
Schallfrequenz, Energieeintrag durch Schall und Verweildauer der Flüssigkeit im Reaktor. Das Rühren im molekularen Bereich durch Schall und die Schall erzeugte Rotation der Moleküle.
Für UV
Wahl der Frequenz, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 253,7 nm, keimtötend und Aufbrechen der H₂O₂ -Bindungen.
Nachfolgend aufgezählte Vorteile sind auf die Druckerhöhung des zu beschallenden Wassers maßgeblich zurückzuführen:
In der zu behandelnden Flüssigkeit vorhandene Tenside schäumen nicht auf und können so eliminiert werden, weil in Schaumblasen keine Kavitationsvorgänge stattfinden.
Die Schallgeneratoren laufen nicht trocken und können nicht zerstört werden, was bei Vorhandensein von Blasen auftreten könnte.
Der sog. JET aus der Kaviationsblase wird verstärkt, weil er gegen eine komprimierte ("härtere") Wasserfront trifft.
Weil der JET verstärkt wird, kann eine geringere Schallenergie ausreichen, den gleichen Kaviations-Effekt zu erreichen. Daraus ergibt sich die Schonung der Schallmembran gegen Kavitationsfraß und eine Erhöhung der Standzeit des Schallgenerators.
Dämpfung der Schallmembran findet statt, so dass es zu keinen Überlagerungsschwingungen kommt.
Bei der Keimreduzierung durch UV-Behandlung von Wasser wird in der Regel nur die DNA der Mikroorganismen geschädigt. Die dadurch möglichen Mutationen können die Mikroorganismen in neue Stämme mit unbekannten Qualitäten überführen, so dass Resistenzbildung zu befürchten ist. Zudem absorbieren Schwebstoffe UV-Strahlen stärker als Ultraschall. Ultraschall zertrümmert Schwebstoffe.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Im Mittelteil der Figur ist ein länglicher Behälter 10 gezeigt, der beispielsweise Zylinderform haben kann und als Druckreaktionsraum dient und unter erhöhtem Druck steht.
Im oberen Bereich ist ein mittlerer Einlass 11 für die zu behandelnde Flüssigkeit vorgesehen. Die eingeleitete Flüssigkeit gelangt zu einem Schallgenerator 12, der mit einer Frequenz von 40 kHz arbeitet. Hierdurch wird die Flüssigkeit fein zerstäubt und es entstehen Aerosol-Tröpfchen, die klein genug sind, dass sie von UV-Strahlen leicht durchdrungen werden können. Die UV-Strahlen stammen von UV-Strahlern 13, die von oben und außen her mit Energie versorgt werden und sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Behälters 10 erstrecken.
Im oberen Teil ist ein Zulauf 14 gezeigt, der zu einem separaten Reaktionsraum 15 führt. In diesem Reaktionsraum 15 befindet sich ein Ultraschallgenerator 16. In dem Reaktionsraum 15 werden Radikalbildner erzeugt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass in dem Reaktionsraum 15 Wasserstoffperoxid eingeleitet wird und durch die Energie des Schallgenerators 16 die entsprechenden OH-Aerosole erzeugt werden. Die Aerosole gelangen über die Zuleitung 14 in den eigentlichen Reaktionsraum 10.
Im Reaktionsraum 10 wirken die Aerosol-Bildner auf die eingeleite Flüssigkeit ein und die unerwünschten Bestandteile in der zu behandelnden Flüssigkeit, insbesondere Endotoxine, werden zu unwirksamen Resten umgewandelt.
Zunächst sammelt sich im unteren Teil des Reaktionsraumes 10 die so behandelte Flüssigkeit. Der Spiegel steigt sodann soweit an, bis der Überlauf 17 erreicht wird, so dass dort die behandelte Flüssigkeit austreten kann. Die sich im unteren Bereich des Gehäuses 10 sammelnde Flüssigkeit wird auch von UV-Brennern 13 erreicht, so dass auch hier Keimfreiheit sichergestellt werden kann.