DE4216571C1 - Verfahren und Vorichtung zur Verhinderung mikrobiellen Wachstums in Rohrleitungen/Wasserkreislaufsystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verhinderung mikrobiellen Wachstums in Rohrleitungen. Die Unterdrückung mikrobiellen Wachstums ist nur möglich, wenn im wesentlichen zwei Maßnahmen erfolgreich durchgeführt werden: Zum einen muß der Zutritt von Mikroorganismen in das Rohrleitungssystem begrenzt werden, zum anderen muß eine für alle Mikroorganismen essentielle Verbindung minimiert werden.

Bisher stand der Einsatz antimikrobieller Verbindungen im Vordergrund der Bemühungen (s. KUNZ/FRIETSCH, 1986), mikrobielles Wachstum in Wasserkreislaufsystemen zu begrenzen. Eine Vorbehandlung über Filtration (beispielsweise Sterilfiltration in der Getränkeindustrie oder zur Vorbehandlung, s. BE-PS 7 73 442, sind bekannt, aber nur kurzfristig (s. beispielsweise Verfallsdatum von Fruchtsäften) wirkungsvoll. Mechanische Reinigungsverfahren - s. DP-DE 33 22 755 mittels Rohrreinigungsgerät oder mittels Schallwellen USP 5 082 502 - sind nur in der Lage, bereits gebildete Biofilme teilweise abzulösen; im wandnahen Bereich herrscht trotz noch so großer Turbulenz immer die Strömungsgeschwindigkeit "0", so daß eine totale Beseitigung auch von makromolekularen Strukturen der konditionierten Oberflächen flächig ausgeschlossen werden kann. Wie FLEMMING (1990) ausführt, lassen sich trotz noch so großer Anstrengungen Biofilme in Wasserkreisläufen nicht vollständig vermeiden und beseitigen; nach FLEMMING muß man mit ihnen leben.

Die mikrobielle Besiedelung von Wasserkreisläufen wäre an sich kein Problem, wenn daraus nicht

• 1. Energiemehrverbräuche über verschlechterte Wärmeübergänge (Biofilme mit Schichtdicke um 1 mm führen zur Reduzierung des Wärmeübergangs um 60 bis 70%),
• 2. Veränderungen bis hin zu Zerstörungen der Oberflächen und
• 3. Rückwirkungen auf die Produkte (z. B. beim Papiermachen Batzenbildung)

resultieren würden.

Von daher ist es verständlich, daß in der Praxis nach geeigneten Bekämpfungsmethoden gesucht wird. Aber nach ihrem Gebrauch gelangen Ausgangsstoffe wie Reaktionsprodukte mit dem Wasser in die Umwelt. Sie müssen fallweise vorher unter Zusatz weiterer Chemikalien und von Energie aus dem Wasser entfernt werden, weil entsprechende Anforderungen an die Ableitung von z. B. Kühlwasser in die Gewässer nach dem Wasserrecht existieren (Anhang 31 zur Rahmenabwasserverwaltungsvorschrift, Stand April 1993).

Hat sich einmal ein Biofilm in einem System ausgebildet, wird man ihn so gut wie nicht wieder los. Biofilm-Bakterien sind wesentlich unempfindlicher gegen Biozide, vor allem sind die Zellen im Inneren bzw. in Konsortien geschützt. Biofilme wurden demzufolge auch an Innenflächen in Rohrleitungen für Desinfektionsmittel gefunden /EXNER et al., 1987/. Da Biofilme durch antimikrobielle Verbindungen nicht vollständig von den Oberflächen abgelöst werden können, findet man im zeitlichen Ablauf dieser Systeme die typische Sägezahnkurve der Wiederverkeimung. FLEMMING/1990/ führt dazu aus:

• - Die Mikroorganismen sind im Biofilm geschützt.
• - Überlebende Mikroorganismen infizieren das System erneut.
• - Abgetötete Mikroorganismen bilden eine Aufwuchsgrundlage.

Angesichts der Kosten und sonstigen apparativen und personellen Aufwendungen für den Einsatz von Mikrobiziden müßten sich eigentlich die Anwender schon lange die Frage stellen, ob nicht über die Kenntnis der Zusammenhänge mikrobiellen Wachstums, Zusatzstoffe eingespart oder gänzlich vermieden werden können. Dies müßte eigentlich um so eher möglich sein, je stärker Wasser im Kreis geführt wird und je weniger von außen nachdosiert werden muß.

Geht man also allein von den verwendeten Werkstoffen aus, könnte man versuchen, diese antimikrobiell auszurüsten, wie dies heut schon in vielen technischen Anwendungen gemacht wird (Depot- oder Retardform/s. KUNZ, FRIETSCH, 1986/). Die Werkstoffe würden sich folgendermaßen schützen lassen, wenn es nur um Korrosion geht:

• - Wahl edlerer Metalle zur Erhöhung der thermodynamischen Stabilität.
• - Passivierung der Oberfläche und Stabilisierung durch Legierungszusätze, wie z. B. Chrom.
• - Verwendung antimikrobieller Zusätze (Antifoulings, Silber, ggf. Kupfer).

Allerdings kann dadurch über die Zeit wohl die Verkeimung nicht ausgeschlossen, sondern lediglich hinausgeschoben werden. Das verwendete System ließe sich dadurch allerdings gegen Korrosionsfolgen besser schützen. Will man aber mikrobiellen Befall wirklich begrenzen, muß ein biotechnischer Ansatz gewählt werden. Dieser ist im Verhältnis dort angesiedelt, wo es um das erwünschte Wachstum von Mikroorganismen geht: in der Fermentation. Hier gilt es lediglich, dieses Wissen unter umgekehrten Vorzeichen zu nutzen: Wasserkreisläufe sind als Bioreaktoren aufzufassen, bei denen Wachstum gerade nicht stattfinden soll.

Die Aufgabe besteht also darin, von vornherein mikrobielles Wachstum in Wasserkreislaufsystemen oder anderen Kreisläufen mit flüssigen Medien zu unterbinden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß

• 1. die Zahl der Mikroorganismen im Zulauf zum System gegen Null gebracht wird und
• 2. ein einziger, wesentlicher Stoffwechselbaustein aller Mikroorganismen minimiert wird.

Dieser Stoffwechselbaustein kann Eisen sein. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe weiterhin deshalb dadurch gelöst, daß die Fluide, die in Wasserkreisläufen oder Rohrleitungen transportiert werden sollen, mit eisenionenbindenden Substanzen in Kontakt gebracht werden. Dazu wird in einer Vorrichtung nach Anspruch 4 die Zahl der eintretenden Mikroorganismen über eine Sterilfiltration gegen Null gebracht und das Fluid über eisenionenbindende Substanzen geführt, um die Eisenionenkonzentration zu minimieren. Über stationär angeordnete Trägermaterialien oder über austauschbare Patronen, die in Molchen in den Rohrleitungen transportiert und vom Fluid durchströmt werden, wird sichergestellt, daß die Eisenionenkonzentration auch während des Betriebes des Wasserkeislauf- oder Rohrsystems im Minimum gehalten wird.

Die Begrenzung von Mikroorganismen im Zulauf kann analog der Sterilfiltration in der Biotechnologie erfolgen, bei der das Medium über einen Sterilfilter mit Trenngrenzen kleiner 0,2 mm erfolgt (dabei könnten ggf. Sporen passieren). Die Technik ist im Rahmen der Cross-flow-Membrantechnik inzwischen als durchaus gängig zu bezeichnen, wobei allerdings die erforderlichen Membrantrennflächen (konventionelle Membranen weisen Wasserwerte um 200 l/m² · h auf) ein erhebliches Analgenvolumen zur Folge haben können. Auch andere Filtersysteme sind denkbar (DE-GM 86 24 333/US-PS 39 83 895).

Die Membrananlagen als solche sind übrigens ebenfalls ein Wasserkreislaufsystem und werden mit Sicherheit anstelle des zu schützenden Wasserkreislaufsystems nun selbst mikrobiell besiedelt werden. Allerdings können hier speziellere Maßnahmen ergriffen werden, wenn die Anlagentechnik darauf ausgelegt ist. Hierzu gibt es bereits Erfahrungen, bspw. in der Bedämpfung.

Bei SCHLEGEL/1985/ findet sich der Hinweis, daß einer der natürlichen Abwehrmechanismen höherer Organismen gegen Mikroorganismen die Freihaltung des Milieus von Eisenionen ist. Diese Freihaltung erfolgt durch eisenbindende Proteine, wie z. B. im Hühnereiklar durch Conalbu­ min, in der Tränenflüssigkeit durch Lactotransferrin oder im Blutserum durch Serotransferrin). Diese Chelatbildner sind der Schlüssel für die Regulation des Eisens in Wasserkreisläufen. Daneben könnten auch als Kron-Ether bezeichnete Moleküle dienen, in denen die Metallionen vergleichbar wie im Kernbereich einer Krone gebunden werden und da mit dem Stoffwechsel entzogen sind.

Eine in der US-PS 42 87 072 offenbarte Verminderung der Eisenionen mit Hilfe von Hydrazin steht lediglich in Zusammenhang mit der Verhinderung einer Eisenionen-Belagbildung (fouling) auf Kationen oder Anionenaustauschern im Rahmen der Wasseraufbereitung, weil die Eisenionen die Austauscherkapazität schmälern. Bei dem hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren geht es nicht um eine Verschmutzungsbegrenzung, sondern um die Begrenzung der Eisenionen mit dem Ziel, das mikrobielle Wachstum zu begrenzen, um damit mikrobielle Beläge in Wasserkreisläufen und Rohrleitungssystemen zu verhindern. Auch die DE-OS 28 39 641 offenbart nicht das erfindungsgemäße Verfahren; sie stellt lediglich ein mögliches Chelatharz vor, das im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß werden die genannten, eisenionenbindenden Substanzen in einer Patrone so eingekapselt, daß das zu stabilisierende Medium die Patrone durchströmen muß, wobei die Wirksubstanzen die Patrone nicht verlassen können. Dazu sind diese entweder auf Trägern zu immobilisieren oder aber über Membranen mit entsprechender Trenngrenze (Ultrafiltrationsmembranen) zurückzuhalten. Aus technischen Einsatz­ gründen ist ersterem der Vorzug zu geben.

Die Molche (die Technik der Molche ist bekannt, vgl. DE-OS 30 32 532, DE-OS 35 06 621, DE-OS 40 33 962 sowie DE-PS 10 76 583 und die bereits oben zitierte DE-GM 86 24 333) werden in entsprechenden Rohrleitungsdimensionen (Teile oder Vielfache der Einheit Zoll) gefertigt, so daß sie für jedes Rohrleitungssystem verfügbar sind. An die Rohrleitung wird ein konventioneller Bypass angeflanscht, der abzuschiebern und zu entleeren geht, so daß der Molch über eine Schleuse aus dem Bypass herausgenommen werden kann. Dabei können die Patronen gewechselt werden.

Bei Verzicht auf die Sterilfiltration des zufließenden Mediums müssen mit Sicherheit mehrere Molche eingesetzt werden und auch der Umlauf der Molche im System erhöht werden.

Die Anzahl der Molche hängt in jedem Fall vom Rohrleitungsdurchmesser, vom gewählten Trägermaterial für die Fixierung der eisenionenbindenden Substanzen aus Gründen des benötigten Totraumvolumens und von der Häufigkeit des Wasserwechsels bzw. dessen natürlichem Eisengehalt ab.

Eine technische Ausführungsform des Molch-Prinzips ist auch, die eisenionenbindenden Substanzen außerhalb des Wasserkreislaufs in geeigneten Rieselfilmreaktoren zu immobilisieren und das von Mikroorganismen freizuhaltende Medium nach der Sterilfiltration und anschließend periodisch aus dem Wasserkreislauf zu entnehmen und separat zu filtrieren und von Eisenionen zu befreien.

Rohrleitungssysteme aus eisenhaltigem Wandmaterial müssen selbstverständlich vorher vollständig passiviert werden, weil partiell die Gefahr besteht, daß entsprechend einem Löslichkeitsgefälle Eisenionen in das Medium transferiert werden.

Die beladenen Patronen müssen selbstverständlich von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden, wobei z. B. in einem einzigen Ferritin-Molekül bis zu 4000 Eisenionen Platz finden, so daß in einem gepflegten System nur selten aus diesem Grund ein Austausch stattfinden muß. Aufgrund unterschiedlicher Wasserparameter ist aber mit der Inaktivierung der Wirksubstanzen zu rechnen, so daß ein periodischer Austausch oder ein Austausch auf Basis einer einfachen Eisenanalytik, wie in der Medizin beim Nachweis der Eisenwerte im Blut, angezeigt ist.

Eine Solubilisierung der gebundenen Eisenionen ist analog mikrobieller Stoffwechselwege durch extreme pH-Wert-Absenkung oder substanz-spezifische Maßnahmen möglich.

Diese wird in der Regel vom Anwender durchgeführt werden können. Die Patronen enthalten keine giftigen Substanzen, so daß sie mit dem hausmüllähnlichen Abfall entsorgt werden können.

Die erfindungsgemäßen Vorteile liegen auf der Hand: Der Anwender agiert, anstelle reagieren zu müssen. Das Medium wird durch keine erfindungsgemäße Maßnahme negativ verändert: Feststoffe und Mikroorganismen werden abfiltriert, Eisenionen ins Minimum geführt, so daß mikrobielles Wachstum nicht stattfinden kann. Allerdings müssen eisenhaltige Rohrleitungen geschützt werden. Dies kann durch Zusatz von Korrosionsinhibitoren erfolgen, die unter den geschilderten Bedingungen überhaupt erst mit dem Rohrmantel in Berührung kommen können: Bei konventionellen Systemen verhindert der Biofilm auf der Rohrwand den Zutritt, ganz abgesehen davon, daß Korrosionsinhibitoren Nährstoffe für Mikroorganismen sein können.

Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier Zeichnungen in schematischer Form erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Prinzipschema als Ausführungsform des gesamten Systems. Das Medium strömt in (1) der Anlage zu und wird in einer entsprechenden Einrichtung sterilfiltriert (A). Danach duchrieselt das Medium eine stationäre Patrone (B) analog dem Molchsystem zur bereits weitergehenden Rückhaltung von Eisenionen im Zulauf. Von da wird es in das Kreislaufsystem (C) hineingepumpt (Pumpe D).

An geeigneter Stelle in der Rohrleitung befindet sich ein Bypass (G) mit einem geringeren Rohrdurchmesser, so daß der Molch (F) immer durch die Molchstation (E) hindurch muß. Über eine variable Querschnittsverengung (e1) in der Molchstation kann der Molch aufgehalten werden. Das Medium umströmt in dieser Zeit die Molchstation über einen Bypass (G). Soll die Patrone im Molch gewechselt werden, wird das Ventil (e2) geschlossen, das in der Leitung befindliche Medium über (3) abgelassen, so daß der Molch (F) aus der Molchstation herausgenommen werden kann.

Über einen Abfluß (2) kann das Medium auch von Zeit zu Zeit über die stationäre Patrone analog dem in der Strömung mitschwimmenden Molch zusätzlich von Eisenionen befreit werden.

Fig. 2 zeigt den Molch in einer Ausführungsform als Schnittzeichnung. Das zu behandelnde Medium strömt durch den Molch durch die Öffnung (a) und gelangt in die Patrone (b), in der sich die Trägermaterialien mit den eisenionenbindenden Substanzen in lockerer Schüttung befinden (c). Über den Düsenboden (d) verläßt das Medium den Molch wieder, wobei eine zusätzliche Antriebseinheit (f) im Düsenboden für eine erzwungene Bewegung des Molches sorgen kann. Über (g) erfolgt die Entnahme der Patrone (b).

Ausführungsformen dieses Systems bestehen darin, daß man die Baugruppen (A) und/oder (B) wegläßt oder auch die Molchstation (E) mit dem beweglichen Molch (F) und nur die stationäre Anwendung wählt. Der Molch als solcher kann vor allem in strömungstechnisch veränderten Formen und Größen zur Anwendung kommen. Bei feststoffhaltigen Medien sorgen spiralförmige, hydrozyklonartige Strömungskanäle im Mantelbereich der Patrone oder in durchgehenden Strömungskanälen als weitere Ausführungsform für die schadlose Ableitung der Feststoffe.

Literatur

Eisman, P. C.; F. C. Kull, R. L. Mayer (1949): The bacteriological aspects of deionized water. J. Am. Pharm. Assoc., Sci Ed. 38, 88-91.
Exner, M.; G. J. Tuschewitzki, J. Scharnagel (1983): Observations of bacterial growth an a copper pipe line of a central disinfection dosage apparatus. ZBl. Bakt. Hyg. Orig. B. 177, 170-181.
Flemming, H. C. (1990): Biofouling in water treatment. In: Biofouling and biocorrosion in industrial water systems (Eds.: Flemming, Geesey), Spinger-Verlag, Heidelberg.
Flemming , H. C. (1985): Verkeimung und Desinfektion von Ionenaustauschern. CONCEPT-Symposion: Der Einsatz von Desinfektionsmitteln bei der Produktion von Pharmazeutika.
Hamilton, W. A. (1987): Biofilms: Micobial interactions and metabolic activities. In: M. Fletscher, T. R. G. Grayund J. G. Jones (Hrsg.): Ecology of microbial environments. Cambridge Univ. Press, p. 61-385.
Kunz, P; G. Frietsch (1986): Mikrobizide Stoffe in biologischen Kläranlagen - Immissionen und Prozeßstabilität. Springer-Verlag, Heidelberg-Berlin 1986 - ISBN 3-540-16426-X.
Saunders, L. (1954): Demineralized water for pharmazeutical purposes. H. Pharm. Pharmaceut. 6, 1014-1022.
Schlegel, H. G.; K. Schmidt (1985): Allgemeine Mikrobiologie. 6. Auflage. Thieme-Verlag.
Wallhäuser, K. H. (1988): Anforderungen an Wasser für pharmazeutische Zwecke. CONCEPT-Symposion: Wasseraufbereitung für pharmazeutische Zwecke.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verhinderung mikrobiellen Wachstums in Rohrleitungen, insbesondere Wasserkreislaufsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Mikroorganismen im Zulauf der Rohrleitung gegen Null gebracht wird und ein einziger, wesentlicher Stoffwechselbaustein aller Mikroorganismen minimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffwechselbaustein Eisen ist, das durch eisenionenbindende Substanzen vermindert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den eisenionenbindenden Komponenten um Komplexbildner, Proteine, Kronether oder andere Komponenten mit hoher Affinität zu Eisen handelt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid vor Eintritt in das Rohrleitungssystem einer Sterilfiltration unterzogen und anschließend über ein Trägermaterial mit eisenionenbindenden Eigenschaften geleitet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial stationär angeordnet ist oder in austauschbaren Patronen in einem oder mehreren Molchen in dem Rohrleitungssystem vom Fluid durchströmt wird.