DE202004020459U1 - Treating aqueous liquids to reduce toxin levels comprises sonicating the liquid to generate hydroxyl radicals - Google Patents
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Abstract
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).The The invention relates to a device for the treatment of aqueous Liquids for Reduction of the proportion of such components that are undesirable or even in the human body dangerous are (especially endotoxins).
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.To these fluids should include: In agriculture and in the food and beverage industry accumulating liquids, dialysis fluids as well as liquids, the highest requirements to be virtually free of interfering residual constituents in their purity have to.
Unter derartigen Bestandteilen werden in dieser Anmeldung u. a. Keime, Sporen, Herbizide, Fungizide, Pestizide, Restdüngemittel, Restmedikamente, Toxine und insbesondere Endotoxine verstanden.Under Such components are in this application u. a. germs, Spores, herbicides, fungicides, pesticides, residual fertilizers, residual medicines, Toxins and especially endotoxins understood.
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.It It is known to use ultrasound to disinfect liquids. Although here influences are also to be expected on endotoxins, so it has in trials demonstrated that with the help of ultrasound itself in biological fluids the proportion of endotoxins can not be lowered sufficiently not at all so that one can speak of endotoxin freedom, i.e. remain below 0.4 EU / ml of endotoxins in the fluid.
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.It is also known, hydrogen peroxide for the sterilization of liquids although its reaction with organic substrates is sluggish. A Exposure to endotoxins would only be then possible when proceeding with relatively high concentrations. This then leads inevitably to that in the treated liquid residual hydrogen peroxide remains that in turn attacks the cell walls in the human body, so that trying to endotoxininwirkung in this way too inevitably leads to an intolerable risk.
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.It is also known to carry germs in liquids Inactivate help of UV radiation. Try in this direction however, have no reduction in the level of endotoxin in fluids shown.
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.Under Endotoxins are generally understood to be toxins of microorganisms that are from the outer cell membranes Gram-negative bacteria are derived and essentially from thermostable Lipopolysaccharides exist. The toxic component of endotoxins is the lipid A, a phospholipid from a glucosamine disaccharide, that at the hydroxyl and Amino groups esterified with fatty acids is. Big amount of of endotoxins are released upon the death of Gram-negative bacteria and can lead to shock symptoms in the affected persons.
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.The However, the present invention is not intended to treat liquids be limited in terms of Endotoxinfreiheit, but also in general be usable when it comes to those constituents from hydrous liquids to remove.
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.For the present Invention is the combination of features essential, significant however, are also the resulting interactions that previously not used or described in this context have been.
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.It goes first in the invention once around, cavitation phenomena in a liquid to generate the action of an ultrasonic source. cavitation be in pouring liquids at speed changes observed, with acceleration resulting in pressure decreases can, to steam bubbles to lead, where pressure surges up to 10,000 bar and local temperature increases in the range of 10,000 K, which may be adjacent bodies ie e.g. on wheels of water turbines or propellers make destructive.
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.at However, the present invention is about cavitation phenomena in the liquid itself and therefore an essential feature is that the ultrasound source, the cause of the cavitation phenomena is within itself the liquid to be treated located. As a result, they form near the ultrasonic source all hydroxyl radicals. The hydroxyl radicals act on the endotoxins and there are processes instead of water, carbon dioxide and an ineffective endotoxin residue results.
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.cavitation and UV radiation act in a kind of energetic coupling at least in a certain space and at the same time in the to be treated liquid together. The individual physical processes are still alive not enough been examined. However, it has been shown that with the Invention achieved efficiency (eg Endotoxinfreiheit) significantly elevated can be when the pressure in the reactor is increased. Already some 100 bar have confirmed this, though Some 1000 bar lead to share in residual components that metrologically can no longer be detected.
Nun haben Versuche gezeigt, dass nicht alle Hydroxylradikale auf Endotoxine treffen, sondern eben durchaus auch mit anderen Hydroxylradikalen reagieren können und hierdurch entsteht Wasserstoffperoxid.Now Experiments have shown that not all hydroxyl radicals affect endotoxins but also quite react with other hydroxyl radicals can and this produces hydrogen peroxide.
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.According to the invention has now been further recognized that hydrogen peroxide in the Treatment of biological fluids not desired is, but that a precaution must be taken to the hydrogen molecules to eliminate in their effect or even better in the context of the invention conducive use. This is achieved by the additional use of a UV source possible which in turn causes hydrogen peroxide molecules to become desirable hydroxyl radicals be transformed in the manner already described act on endotoxins.
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.With Help the device according to the invention could liquids not only endotoxin-free as defined, but to be freed from effective endotoxins so far that the Content of remaining endotoxins below the detection limit (0.06 EU / ml).
Nachfolgend einige ergänzende Erläuterungen zu den Merkmalen der Erfindung:following some complementary Explanations to the features of the invention:
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.influence on the liquid by means of such an ultrasonic source located inside the liquid, through the over cavitation in the liquid Hydroxyl radicals from the aqueous fraction the liquid be formed.
Reaktionsgleichung:
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:
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:
Einwirken auf die Wasserstoffperoxydmoleküle mittels einer UV-Strahlung zur Bildung weiterer Hydroxylradikale aus dem Wasserstoffperoxyd, die ihrerseits wiederum zur zusätzlichen Aufspaltung von Endotoxinen führen.influence on the hydrogen peroxide molecules by means of UV radiation to form further hydroxyl radicals from the hydrogen peroxide, which in turn are additional Splitting of endotoxins.
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.Because the respective "lifetime" for a hydroxyl radical of a nanosecond is too short and the amount of hydroxyl radicals generated from understandable and above all necessary reasons must be low, will with the UV rays used a mechanism of action that produced a small amount of Keeping hydroxyl radicals effective until they have "found" an endotoxin.
Reaktionsgleichung:
Schlussfolgerungconclusion
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".Produce as few hydroxyl radicals as possible - but as much as necessary - through sound / cavitation. In order to achieve a good yield, the formation of H 2 O 2 is permanently interrupted by UV, so that the aggressive hydroxyl radicals at some point (residence time or liquid in the reactor field, which is the area where cavitation and UV act simultaneously!), To the endotoxins arrive, so there is a hit. Ideally, the hydroxyl radicals are "consumed" in this way.
Hierzu sind folgende Kriterien wichtigThese are the following criteria important
Für Schall For sound
Schallfrequenz, Energieeintrag durch Schall und Verweildauer der Flüssigkeit im Reaktor. Das Rühren im molekularen Bereich durch Schall und die Schall erzeugte Rotation der Moleküle.Sound frequency, Energy input by sound and residence time of the liquid in the reactor. Stirring in the molecular range by sound and the sound generated rotation of the molecules.
Für UVFor UV
Wahl der Frequenz, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 253,7 nm, keimtötend und Aufbrechen der H2O2 -Bindungen.Choice of frequency, for example, with a wavelength of 253.7 nm, germicidal and breaking the H 2 O 2 bonds.
Nachfolgend aufgezählte Vorteile sind auf die Druckerhöhung des zu beschallenden Wassers maßgeblich zurückzuführen:following enumerated Advantages are on the pressure increase of the water to be watered due:
In der zu behandelnden Flüssigkeit vorhandene Tenside schäumen nicht auf und können so eliminiert werden, weil in Schaumblasen keine Kavitationsvorgänge stattfinden.In the liquid to be treated existing surfactants foam not up and can be eliminated because in foam bubbles no cavitation occur.
Die Schallgeneratoren laufen nicht trocken und können nicht zerstört werden, was bei Vorhandensein von Blasen auftreten könnte.The sound generators do not run dry and can not be destroyed, which could occur in the presence of bubbles.
Der sog. JET aus der Kaviationsblase wird verstärkt, weil er gegen eine komprimierte ("härtere") Wasserfront trifft.Of the so-called JET from the Kavationsblase is strengthened because he is against a compressed ("harder") waterfront hits.
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.Because the JET reinforced is, a lower sound energy can be sufficient, the same To achieve cavitation effect. This results in the protection the sound membrane against cavitation and an increase in the Service life of the sound generator.
Dämpfung der Schallmembran findet statt, so dass es zu keinen Überlagerungsschwingungen kommt.Attenuation of the Sound membrane takes place, so that there are no superposition vibrations.
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.at The germ reduction by UV treatment of water is usually only the DNA of microorganisms damaged. The thereby possible Mutations can the microorganisms into new strains convict with unknown qualities, so to fear that resistance formation is. In addition, suspended solids absorb UV rays more than Ultrasonic. Ultrasound smashed Suspended.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.The Invention will be explained below with reference to the drawing, for example.
Die Figur zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.The FIG. 1 shows a schematic sectional view through a device. FIG according to the invention.
Im
Mittelteil der Figur ist ein länglicher
Behälter
Im
oberen Bereich ist ein mittlerer Einlass
Im
oberen Teil ist ein Zulauf
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Reaktionsraum
Zunächst sammelt
sich im unteren Teil des Reaktionsraumes
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