EP4081039A1 - Vorrichtung zur abreicherung von aktiven mikroorganismen in fluiden - Google Patents

Vorrichtung zur abreicherung von aktiven mikroorganismen in fluiden

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EP4081039A1
EP4081039A1 EP21740031.6A EP21740031A EP4081039A1 EP 4081039 A1 EP4081039 A1 EP 4081039A1 EP 21740031 A EP21740031 A EP 21740031A EP 4081039 A1 EP4081039 A1 EP 4081039A1
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EP
European Patent Office
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microorganisms
component
antimicrobial
retention
flow
Prior art date
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Pending
Application number
EP21740031.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe PROF. DR. LANDAU
Olaf DR. WAGNER
Carsten Meyer
Rainer Haag
Rameez Ahmed
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Agxx Intellectual Property Holding GmbH
Original Assignee
Agxx Intellectual Property Holding GmbH
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Publication date
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    • C02F2305/023—Reactive oxygen species, singlet oxygen, OH radical

Definitions

  • the invention relates to a device for reducing the number of active microorganisms in fluids, which comprises at least one flow area through which the fluid can flow.
  • the invention also relates to a method for reducing the number of active microorganisms in at least one fluid, the fluid flowing through at least one flow area.
  • a strategy for avoiding microorganisms in liquid media is the increased use of biocides.
  • this approach often proves to be problematic, since the increasing development of resistance requires higher dosages of the biocides or renders them completely ineffective.
  • biocides pose a health risk for humans and animals, so that their use is strictly regulated.
  • Another strategy consists in the mechanical removal of germs from fluids using appropriate filter elements.
  • Membrane filters play an important role here. Microorganisms are held back by filter membranes whose pores are smaller than the microorganisms. Due to the flow resistance of the membrane, considerable technical effort is required, with the liquid medium having to be pressed through the filter element at high pressure via an electrically operated pump system.
  • Filter systems for removing microorganisms from fluids are based on a material that mechanically retains the microorganisms in the filter, the materials used often being equipped with a biocidal substance.
  • the filter can be designed as a capillary or as a membrane made of organic materials (e.g. plastic) or inorganic materials (e.g. ceramics).
  • the pore size is about 0.1 - 0.3 pm for bacteria retention and 0.01 - 0.04 pm for virus retention.
  • Metals such as silver, copper or zinc, their salts, flalogens or flalogenides and organic compounds such as triclosan or quaternary ammonium compounds are used as biocidal substances.
  • the biocides are successively delivered to the medium to be filtered via a depot until the depot is exhausted.
  • the microorganisms are removed from the liquid medium and remain in the filter materials, so that the flow resistance of the filter increases the longer it is used. In the worst case, the filter is completely blocked as a result. This problem is further exacerbated by biofilm formation.
  • DE 698 257 49 T2 describes a filter cartridge consisting of a core member surrounded by a plurality of microporous membranes.
  • the core member is made of activated carbon, plastic, paper, metal and ceramics.
  • the membranes consist of a polymer from the group of polyester, polysulfone, polyethylene and polypropylene.
  • the core member or membranes are wrapped with an antimicrobial impregnated yarn.
  • An example of an antimicrobial agent is 5-chloro-2-(2,4-dichlorophenoxy)phenol.
  • DE 103 353 43 A1 describes a ceramic filter element that is produced via a sintering process in which oxides, sulfides, carbides and nitrides are used.
  • the filter element is coated with a biocidal substance.
  • WO 2008/110166 A1 describes a filter element made from microporous filter membranes, the pore size of which is suitable for the filtration of bacteria or viruses.
  • the microporous filter consists of stacked sheets of hydrophilic polymer or ceramic, or of polymer fibers. Flalogens, halogenated flames or silver are used as biocidal substances.
  • the Biocides are supplied via a reservoir or are integrated into the filter materials.
  • US 2001/0009239 A1 describes a sand bed filter for water filtration, the particles of which are equipped with quaternary ammonium compounds and with silver or copper.
  • the particles are first calcined with silver nitrate or copper nitrate at 800 - 900 °C. Then the further functionalization of S1O2 takes place with a solution of 3-(trimethoxysilyl)-propyldimethyloctadecylammonium chloride.
  • US 2008/0302713 A1 describes a filter consisting of a porous membrane made of ceramic, activated carbon, metal, cellulose or plastic.
  • the pore size is 0.05 - 5.0 pm.
  • the inner filter core is covered with wound yarn or fleece, each of which is provided with a biocide finish made of silver, copper, zinc, their compounds or organic substances.
  • US Pat. No. 6,471,876 B1 describes filter particles made of ceramic, plastic or glass, which are coated by copolymerization of an anionic polymer and a germ-killing cationic substance.
  • the germ-killing cationic substance belongs to the group of biguanides, quaternary ammonium compounds, diiodomethyl-p-tolyl sulfone or zinc pyrithione.
  • the anionic polymer is composed of vinyl or acrylic units, preferably containing a carboxyl or sulfonyl group.
  • CA 2851 889 A1 describes a method for producing antimicrobially active filters.
  • the filters consist of electrospun polymer fibers or spunbonded fabric coated with silver or another biocidal substance.
  • the silver layer is deposited by chemical vapor deposition, physical vapor deposition, sol-gel deposition, or a combination of the methods.
  • US 2010/0051527 A1 describes a microporous filter element for liquids with a suitable pore size to retain bacteria or viruses.
  • a biocidal substance is supplied as a gas, liquid or solid.
  • the object of the invention is to provide a device and a method for depleting active microorganisms in fluids which avoid the disadvantages mentioned and ensure a longer service life for the device and increased process reliability.
  • the object is achieved according to the invention by a device of the type mentioned at the outset, in which the flow area comprises at least one antimicrobial component for inactivating the microorganisms and at least one retention component for reducing the flow rate of the microorganisms.
  • the device according to the invention for the depletion of active microorganisms in fluids for example liquid media or gases or gas mixtures (e.g. air), thus comprises at least two differently functionalized components, ie the combination of a component that slows down the flow of microorganisms and thus their length of stay in the device increased, with an antimicrobial component.
  • the medium to be sterilized (fluid) flows past both components.
  • the retention component (adsorption component) that slows down and/or adsorbs microorganisms produces a delayed flow of the microorganisms through the flow area through electrostatic interaction with the microorganisms.
  • This slowing down (retention) of the active ones contained in the medium Microorganisms on the retention component their flow rate is reduced in such a way that there is sufficient time for them to be inactivated by the antimicrobial component.
  • the inactivated microorganisms can then be discharged from the device as the flow progresses, so that, for example, the disadvantages of an increasing flow resistance or a blockage are avoided.
  • the device according to the invention is therefore a kind of "continuous sterilizer” in which the microorganisms flowing past are slowed down on the retention component by “physisorption” (very weak adsorption, see below), so that their residence time in the device is extended so that a inactivation can take place by the antimicrobial component.
  • the inactivation of the microorganisms also eliminates the risk of biofilm formation, so that, in contrast to conventional devices such as filter elements, a longer service life can be guaranteed.
  • the antimicrobial component and the retention component are arranged in close proximity to one another and/or are at least partially, directly or indirectly, in contact with one another. Both components should therefore preferably be arranged at least adjacent to one another, with the possible distance between the components having to be adapted to the range of the antimicrobial effect of the antimicrobial component used in each case.
  • one component can also be applied directly to the other component, so that the two components touch at least partially.
  • the antimicrobial component and the retention component are arranged in layers and/or mixed with one another.
  • the individual components can be combined in (flat) layers and alternating stacking order and/or mixed with one another in particulate form.
  • the antimicrobial component and/or the retention component is/are applied to at least one carrier material or is/are integrated into it.
  • the two components can be applied, for example, as layers or coatings on separate carrier materials (substrates) or combined on a common carrier material (substrate).
  • the components are preferably applied as a coating to the surface of a carrier material, which preferably consists of metal, glass, plastic, resin, clay or renewable materials such as chitosan, cellulose and modifications thereof.
  • the substrate should have a large surface area.
  • the carrier material should preferably comprise a woven fabric, fleece, fibers, granules or particles (eg spheres or powder particles).
  • the antimicrobial component can, for example, also be integrated into the carrier material as granules or powder, so that an antimicrobially active substance can be released from the carrier material.
  • the retention component is preferably applied to this modified carrier material, optionally in the form of individual clusters.
  • the antimicrobial component can also be integrated as a powder in a carrier material which has a property that slows down and/or adsorbs microorganisms.
  • the retention component comprises at least one substance which comprises at least one positively or negatively charged functional group.
  • the microorganism-retarding component can comprise at least one polymer which, due to the functional groups present, has charges (positive and/or negative charges).
  • Such polymers can be applied to a surface in thin layers so that the release of the antimicrobial substances across the surface is not blocked.
  • Suitable functional groups are, for example, quaternary ammonium compounds to introduce positive charges, or, for example, sulfonic acid groups to introduce negative charges.
  • the charged cell membranes of the microorganisms then interact with the surface of the charged polymer due to Coulomb forces.
  • the antimicrobial component comprises at least one substance which has an antimicrobial effect and/or releases at least one substance with an antimicrobial effect or generates it in situ.
  • ozone is also conceivable.
  • catalytically active surfaces for the in-situ generation of ROS are preferably used as the antimicrobially active component, since these do not leach out the antimicrobial substance in long-term use.
  • antimicrobial surface "AGXX ®" Such systems for the in situ generation of ROS are explained in greater detail further below (antimicrobial surface "AGXX ®").
  • the antimicrobial component can also have a physical antimicrobial effect, such as through UV irradiation.
  • the flow area is tubular and/or column-shaped and/or comprises at least one channel-shaped and/or hose-shaped element.
  • the device according to the invention can be designed in the form of a filter column and/or flow-through column. Since a column has a comparatively low flow resistance, the technical requirements for the system used are extremely low. With the appropriate design, the flow system can be operated without a power supply via the hydrostatic pressure. As the flow progresses, the inactivated microorganisms are discharged from the device. Since the microorganisms do not remain in the device, its flow resistance does not increase even after prolonged use. through the Inactivation of the microorganisms also eliminates the risk of biofilm formation, so that, in contrast to membrane filter elements, a longer service life is guaranteed.
  • the object is also achieved according to the invention by a material for reducing the number of active microorganisms in at least one fluid, which has at least one antimicrobial component for inactivating the microorganisms and at least one retention component for
  • the materials (or filter materials) according to the invention which are preferably provided for use in the device according to the invention (and/or a filter element or a filter column) described above, advantageously enable effective cleaning of the fluid (e.g. water, air, etc.) through reliable inactivation of the microorganisms contained in the flow.
  • the material is arranged within the device in such a way that the fluid to be sterilized flows past the material or flows through it. By slowing down the active microorganisms contained in the fluid on the retention component, their flow rate is reduced and their length of stay is thus extended in such a way that they are inactivated by the antimicrobial component.
  • the material can be, for example, fibers, particles, granules, a woven fabric, fleece or the like.
  • the material according to the invention additionally comprises at least one carrier material.
  • the carrier material can consist, for example, of metal, glass, plastic, resin, clay or renewable materials such as chitosan, cellulose and modifications thereof.
  • the antimicrobial component serves as a substrate which is at least partially coated with the retention component.
  • the Carrier material is at least partially coated with the antimicrobial component and the retention component.
  • the antimicrobial component can advantageously also be at least partially integrated into the carrier material, with the carrier material doped with the antimicrobial component being at least partially coated with the retention component in this embodiment.
  • the antimicrobial component can be integrated into the carrier material, for example as granules or powder, so that an antimicrobially active substance can be released from the carrier material.
  • the retention component is applied to this modified carrier material, for example as a thin layer, possibly in the form of individual clusters, so that the antimicrobially active substance can reach the surface or the environment of the (germ reduction) material.
  • the object is also achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which the fluid flows past at least one antimicrobial component and at least one retention component, with the flow rate of the microorganisms in the flow area on the retention component being reduced in such a way that the microorganisms are inactivated by the antimicrobial component will.
  • the flow rate of the microorganisms in the flow area on the retention component being reduced in such a way that the microorganisms are inactivated by the antimicrobial component will.
  • the inactivated microorganisms are discharged from the flow area, so that, for example, the disadvantages of an increasing flow resistance or a blockage can be avoided.
  • the antimicrobial component releases at least one substance with an antimicrobial effect and releases it into the flow area and/or at least one substance with an antimicrobial effect is generated in situ in the flow area.
  • the antimicrobial substance can be, for example, oligodynamic metals such as silver or copper and their compounds, inorganic compounds such as sodium hypochlorite or boric acid, organic compounds such as triclosan or dichloroctylisothiazolinone (DCOIT), organometallic compounds such as zinc pyrithione or 10,10 '-Oxybisphenoxoarsine (OBPA) to act as antibiotics such as amoxicillin or methicillin.
  • oligodynamic metals such as silver or copper and their compounds
  • inorganic compounds such as sodium hypochlorite or boric acid
  • organic compounds such as triclosan or dichloroctylisothiazolinone (DCOIT)
  • organometallic compounds such as zinc pyrithione or 10,10 '-O
  • ROS reactive oxygen species
  • catalytically active surfaces for the in-situ generation of ROS can be used as an antimicrobially active component, since these do not leach out the antimicrobial substance in long-term use.
  • antimicrobial surface "AGXX ®" Such systems for the in situ generation of ROS are explained in greater detail further below (antimicrobial surface "AGXX ®").
  • the antimicrobial component can also have a physical antimicrobial effect, such as through UV irradiation.
  • Fluid within the meaning of the invention refers to any flowable matter or all flowable substances, substances and mixtures of substances.
  • the term “fluid” includes, inter alia, liquids, suspensions, gases, plasma and/or aerosols.
  • Microorganisms within the meaning of the invention refers to microscopically small organisms or particles that consist of individual or a few cells, cell aggregates or organic structures.
  • microorganisms includes, but is not limited to, bacteria, fungi (including fleas), algae, protozoa and viruses.
  • Active are microorganisms within the meaning of the invention if they are alive, viable, metabolically active, infectious and/or pathogenic. "Inactive” or “inactivated” are microorganisms within the meaning of the invention when they are dead or no longer viable, no longer metabolize or induce are no longer infectious and/or no longer pathogenic.
  • “Physisorption” within the meaning of the invention denotes a special form of adsorption in which the adsorbate molecule is reversibly and temporarily bound to the substrate by physical forces.
  • the physical forces do not cause a chemical bond, but are so weak that the orbital structure is not changed.
  • these forces can be van der Waals forces, i.e. electrostatic interaction between induced, fluctuating dipoles (London dispersion forces).
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through an exemplary embodiment of a device according to the invention for carrying out an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows schematic representations of side views of two exemplary embodiments of the device according to the invention: a) flow-through unit with a stacked arrangement of individual fleeces of the two components, and b) flow-through unit in which both components are mixed with one another in the form of particles.
  • FIG. 3 shows the course of an exemplary embodiment of the method according to the invention in three schematic representations.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a device according to the invention for carrying out an embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 5 shows a bar chart of the germ reduction efficiency of cellulose fibers that were first treated with the antimicrobially active surface "AGXX ® " (Ag/Ru, see below) and then coated with the polycationic polymer poly(N-trimethylammonium)ethyl methacrylate (PTEMA).
  • AGXX ® antimicrobially active surface
  • PTEMA polycationic polymer poly(N-trimethylammonium)ethyl methacrylate
  • Figure 6 shows a bar graph of germ reduction efficiency of cellulose fleece, which was treated with the antimicrobial surface "AGXX ®" (Ag / Ru, see below) and then coated with the polymer PTEMA first.
  • FIG. 7 shows a bar chart of a comparison of different (germ reduction) materials for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 8 shows an exemplary curve of the functional principle of the retention component in the flow. Description of advantageous and exemplary embodiments of the invention
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of a device 1 according to the invention for the depletion of active microorganisms 2 in fluids (e.g. liquid media), which comprises a flow area 3 and at least two differently functionalized components.
  • fluids e.g. liquid media
  • retention component 4 a component that slows down and/or adsorbs microorganisms
  • the device 1 according to the invention thus comprises at least one layer slowing down microorganisms (component 4) which is applied to a substrate, and at least one antimicrobially active layer (component 5) which is applied to the same or a different substrate.
  • the substrate or substrates for both components 4, 5 can be the same material (e.g. fleece, glass beads,
  • the two components 4, 5 can be applied to separate substrates or combined on a common carrier material 6.
  • the embodiment shown here is a tubular device 1, the wall of which forms the carrier material 6 and can be made of plastic or metal, for example.
  • the inner surface of the carrier material 6 is coated with the components 4, 5, one half of the carrier material 6 being coated with a layer of the retention component 4 and the other half of the carrier material 6 being coated with a layer of the antimicrobial component 5.
  • the fluid to be sterilized with the microorganisms 2 flows past the two components 4 , 5 within the flow area 3 .
  • By slowing down the flow rate of the active microorganisms 2 contained in the fluid (here living bacteria 7) on the retention component 4 e.g.
  • the fluid can be effectively sterilized and at the same time the formation of a biofilm in the flow area 3 can be prevented.
  • the inactivated microorganisms 2 here dead bacteria 8 are then discharged from the flow area 3 of the device 1, so that the flow resistance cannot increase or become blocked by cell debris.
  • This substance can be, for example, oligodynamic metals such as silver or copper and their compounds, inorganic compounds such as sodium hypochlorite or boric acid, organic compounds such as triclosan or dichloroctylisothiazolinone (DCOIT), organometallic compounds such as zinc pyrithione or 10,10'-oxybisphenoxoarsine (OBPA ), and/or antibiotics such as amoxicillin or methicillin.
  • DCOIT dichloroctylisothiazolinone
  • OBPA 10,10'-oxybisphenoxoarsine
  • antibiotics such as amoxicillin or methicillin.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a device 10 according to the invention for reducing the number of active microorganisms in fluids (eg liquid media).
  • the device 10 comprises a cylindrical area 11 and an adjoining funnel-shaped area 12. Inside the cylindrical area 11 there is a flow area 13 through which the fluid to be sterilized (here a liquid) flows.
  • retention components 14 and antimicrobial components 15 are also arranged, past which the fluid to be sterilized flows, with the flow rate of the active microorganisms contained in the fluid being reduced at the retention components 14, so that they can be inactivated by the antimicrobial components 15.
  • a material 16 is provided in the embodiments of the invention shown in FIG. Figure 2b) is arranged in the flow area 13.
  • the embodiment according to FIG. 2a involves fleece elements which are each coated with one of the two components 14, 15 and are combined in stacks in an alternating sequence of components.
  • the embodiment according to FIG. 2b involves particles which are each coated with one of the two components 14, 15 and then mixed with one another in certain proportions.
  • the device 10 according to the invention is thus designed as a type of germ reduction column, with the fluid to be cleaned being sterilized as it flows through the flow area 13 and thus through the materials 16 by inactivating the microorganisms contained therein. As the flow continues, the inactivated microorganisms are then discharged from the device 10 via the funnel-shaped area 12 . Since such a germ reduction column has a comparatively low flow resistance, the technical requirements for the device 10 used are extremely low. With an appropriate design, the germ reduction column can be operated without a power supply via the hydrostatic pressure. Since the microorganisms do not remain in the material 16, the flow resistance in the flow area 13 does not increase even after prolonged use. By inactivating the microorganisms Biofilm formation can be prevented at the same time, so that, in contrast to membrane filter elements, a longer service life is guaranteed.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a device 20 according to the invention, which essentially corresponds to the device 1 according to FIG.
  • the components of the device 20 shown schematically in Figure 3 are therefore provided with the same reference numerals as the corresponding components of the device 1 according to Figure 1.
  • the components 4, 5 are shown in Figure 3
  • Device 20 shown is not applied next to each other on the carrier material 6, but one above the other.
  • the antimicrobially active component 5 was first applied to the carrier material 6 and then coated with the retention component 4 .
  • the retention component 4 has positively charged functional groups 17 on its surface, which are used for the reversible binding of microorganisms.
  • Retention component 4 of the antimicrobial component 5 and enters the fluid to be cleaned in the flow space 3.
  • the microorganisms entering the flow space 3 are slowed down by means of the charged functional groups 17 on the surface of the retention component 4 ( Figure 3b). There they are then inactivated or killed by the released antimicrobial substance (“biocide”). Since the microorganisms do not form any permanent bonds to the surface of the retention component 4, they are then carried out of the flow chamber 3 by the fluid flowing through (FIG. 3c).
  • FIG. 4 also shows an embodiment of a device 30 according to the invention, which essentially corresponds to the device 1 according to FIG.
  • the components of the device 30 shown schematically in FIG. 4 are therefore provided with the same reference numbers as the corresponding components of the device 1 according to FIG. 1 and the device 20 according to FIG 1 and for the device 20 according to FIG. 3, the antimicrobial component 5 in the form of a large number of individual particles is integrated into the carrier material 6 in the device 30 shown in FIG.
  • the antimicrobial component 5 can be a solid, for example, which gradually dissolves in a liquid medium flowing through, or generates ROS in situ.
  • the carrier material 6 eg cellulose or a plastic
  • the carrier material 6 must allow a certain amount of water absorption.
  • Figure 5 illustrates the germ reduction efficiency of cellulose fibers and then coated with the polymer is poly (N-trimethylammonium) ethyl methacrylate (PTEMA) were first with the antimicrobial surface "AGXX ®" (see below).
  • PTEMA poly (N-trimethylammonium) ethyl methacrylate
  • AZA antimicrobial surface
  • 1000 ml of a bacterial suspension of E. coli with an increasing number of colony-forming units were filtered.
  • 118 mg cellulose fibers were used as germ reduction material, which had first been coated with the antimicrobial surface “AGXX ®” and then with the polycationic polymer PTEMA.
  • the germ reduction efficiency was determined in each case by plating. The efficiency is 99.9% up to a bacterial load of 6.0 x 10 5 CFU/ml.
  • FIG. 6 shows the germ reduction efficiency of cellulose fleece that was first coated with the antimicrobially active surface “AGXX® ” (see below) and then with the polycationic polymer PTEMA.
  • AGXX® antimicrobially active surface
  • the germ reduction efficiency was determined in each case by plating. The germ reduction efficiency was for all Flow rates 99.9%. Under the selected test conditions, no decrease in efficiency could be observed.
  • FIG. 7 shows the comparison of different materials. These are mixtures of the two components 14, 15 according to FIG. 2b.
  • the two components 14, 15 were each prepared on cellulose powder, with 25 mg of each of the two materials being mixed together (system a).
  • Another germ reduction system consists of cellulose powder, which was first coated with the antimicrobially active surface "AGXX ® (see below) and then with the polycationic polymer PTEMA (system b). 50 mg of this powder were used.
  • AGXX ® antimicrobially active surface
  • PTEMA polycationic polymer PTEMA
  • the germ reduction efficiency on Pseudomonas aeruginosa and Legionella pneumophila was determined for both systems.
  • System a shows a germ reduction for P. aeruginosa of 90.0% and for L pneumophila of 95.8%.
  • the germ reductions for P. aeruginosa are 97.4
  • FIG. 8 shows the functional principle of the retention component in the flow as an example. If the microorganisms flowing through do not interact with the retention components, they are discharged from the system at time ti. The complete killing of the microorganisms by the antimicrobial component is only achieved for the residence time t min . The residence time of the microorganisms is therefore not sufficient for the microorganisms to be deactivated by the antimicrobial component. Due to the interaction of the microorganisms with the retention component set according to the invention, their residence time in the system is increased in such a way that the microorganisms are completely killed.
  • the antimicrobial component can be used by the antimicrobial component as a catalytically active surface for the effective inactivation of microorganisms in the flow area or on of the retention component can be generated.
  • the antimicrobial component preferably comprises a bioactive composition (antimicrobially active surface “AGXX® ” ) which comprises at least two elements (e.g. metallic silver and metallic ruthenium), these elements being in electrically conductive contact with one another at least with their respective surfaces that in the presence of water and oxygen, the oxygen dissolved in the water is reduced upon contact with the catalytically active surface and active oxygen species (ROS) are formed, which are then released into the environment (e.g.
  • the antimicrobially effective surface “AGXX ®” thus advantageously comprises a bioactive material system, at whose electrodes of the microgalvanic element formed, redox reactions take place, which lead to the microorganisms being killed. Molecular oxygen is reduced to oxygen radicals at the cathode (ruthenium), which then have a toxic effect on the microorganisms.
  • An "AGXX ®” surface or coating can be produced, for example, by applying silver and ruthenium layers to suitable carrier materials using chemical-reductive processes or conventional electroplating technology, with a silver layer first being applied to the carrier material, which is then coated with a microporous (cluster-shaped) layer of ruthenium.
  • the present invention relates to a bioactive device and a bioactive material each comprising an antimicrobial surface in combination with a microorganism retarding surface. There is a close spatial proximity between the two surfaces. Ideally, a microorganism-slowing coating is applied directly to an antimicrobial effective surface applied.
  • the antimicrobially effective surface releases a substance or substance that leads to the inactivation (killing) of the microbial contamination. Since this process requires a certain duration of action, the residence time of the microorganisms is increased by the microorganism-slowing material. There is no permanent attachment of the microorganisms to the coating. In contrast to conventional filter processes, most of the killed microorganisms are removed from the device or system.
  • the present invention provides a method for sterilization in which the microorganisms, however, are only slowed down in the flow, killed by a released antimicrobial substance and these are discharged from the system again.
  • This novel sterilization method avoids the disadvantages of increasing flow resistance, filter blockage and biofilm formation known from the prior art. This significantly increases the service life of the device and the process reliability.
  • the efficiency of the device according to the invention or the materials according to the invention depends on the quantity of the components used and the geometry of the material, the geometry of the germ reduction element, the germ load of the fluid, the physical properties of the fluid and its flow rate. Due to the universal properties of the (germ reduction) material according to the invention, the efficiency can be adapted to the respective application by means of a suitable structure.
  • the present invention allows the development of highly efficient systems for sterilizing fluids (eg liquids) with a long service life.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen 2 in Fluiden, welche mindestens einen Strömungsbereich 3 umfasst, der von dem Fluid durchströmbar ist, wobei der Strömungsbereich 3 mindestens eine antimikrobielle Komponente 5 zur Inaktivierung der Mikroorganismen 2 und mindestens eine Retentionskomponente 4 zur Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen 2 umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, bei dem das Fluid mindestens einen Strömungsbereich 3 durchströmt und dabei an mindestens einer antimikrobiellen Komponente 5 und mindestens einer Retentionskomponente 4 vorbeiströmt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen 2 im Strömungsbereich 3 an der Retentionskomponente 4 derart verringert wird, dass die Mikroorganismen 2 durch die antimikrobielle Komponente 5 inaktiviert werden.

Description

Vorrichtung zur Abreicherung von aktiven Mikroorganismen in Fluiden
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen in Fluiden, welche mindestens einen Strömungsbereich umfasst, der von dem Fluid durchströmbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen in mindestens einem Fluid, wobei das Fluid mindestens einen Strömungsbereich durchströmt.
Die Kontamination von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten und Luft, mit Mikroorganismen stellt für die Weltgemeinschaft zunehmend eine große Herausforderung dar, denn die Übertragung und Verbreitung von Keimen führt Jahr für Jahr zu ernsthaften Erkrankungen und erheblichen wirtschaftlichen Schäden. Da beispielsweise die Vermehrung von Bakterien bei Temperaturen von 35 °C erheblich zunimmt, wird sich diese Problematik vor dem Hintergrund der Klimaerwärmung noch verstärken. Daher spielt eine effektive Entkeimung z.B. von flüssigen Medien im täglichen Leben eine bedeutende Rolle. Dies betrifft beispielsweise die Trinkwasserversorgung. Auch unter der Annahme, dass qualitativ einwandfreies Trinkwasser von den Versorgern in die Wassernetze eingespeist wird, besteht für den Verbraucher ein gesundheitliches Risiko durch retrograde Verkeimung der Leitungen. Ein Beispiel ist der Ausbruch von Legionellen in einem Hotel in Philadelphia im Jahr 1976 mit 34 Todesopfern. Eine besondere Gefahrenlage besteht hierbei für Einrichtungen, in den Menschen mit geschwächtem Immunsystem untergebracht sind, wie z.B. Krankenhäuser oder Altenheime. Allein in Deutschland schätzt das Robert-Koch-Institut die Anzahl nosokomialer Infektionen auf 400.000 - 600.000 Fälle pro Jahr. Durch den starken Anstieg multiresistenter Keime z.B. für Stämme von Escherichia Coli, Klebsiella pneumoniae oder Staphylococcus aureus nimmt die Anzahl schwerer Infektionen ebenfalls dramatisch zu. Das Gefahrenpotential, das bei der Übertragung von Keimen von der Trinkwasserversorgung ausgeht, steigt in wärmeren Regionen meist stark an. Besonders kritisch sind Gebiete mit geringen Anforderungen bzw. Kontrollen der Trinkwasserqualität oder Krisengebiete. Durch die schlechte Versorgungslage breiten sich dort Krankheiten wie Cholera rasant aus und fordern viele Todesopfer. Beispiele aus der jüngeren Vergangenheit sind die Epidemien in Haiti oder Jemen. Die Kontamination mit Mikroorganismen birgt auch für industrielle Bereiche weitreichende Risiken. Mit Keimen belastete Produkte z.B. in der Lebensmittel-, Kosmetik-, Färb- oder Pharmaindustrie müssen entsorgt werden. Zusätzlich werden Schäden durch Biofilmbildung oder Biokorrosion (MIC) verursacht, die den Ausfall von technischen Anlagen wie Kühlkreisläufen oder Transportleitungen bewirken können. Der durch Biokorrosion verursachte jährliche Schaden wird allein für Deutschland auf mehrere Milliarden Euro beziffert.
Stand der Technik
Eine Strategie zur Vermeidung von Mikroorganismen in flüssigen Medien besteht in dem verstärkten Einsatz von Bioziden. Dieser Ansatz erweist sich jedoch häufig als problematisch, da die zunehmende Bildung von Resistenzen eine höhere Dosierung der Biozide erfordert oder diese gänzlich wirkungslos macht. Weiterhin geht von Bioziden eine Gesundheitsgefahr für Mensch und Tier aus, so dass deren Einsatz streng reguliert ist. Eine weitere Strategie besteht in der mechanischen Entfernung der Keime aus Fluiden über entsprechende Filterelemente. Hierbei spielen Membranfilter eine wesentliche Rolle. Mikroorganismen werden durch Filtermembranen zurückgehalten, dessen Poren kleiner sind, als die Mikroorganismen. Aufgrund des Strömungswiderstandes der Membran ist ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich, wobei über ein elektrisch betriebenes Pumpensystem das flüssige Medium mit hohem Druck durch das Filterelement gepresst werden muss. Aufgrund der zurückgehaltenen Mikroorganismen steigt der Strömungswiderstand der Membran mit zunehmender Betriebsdauer an, so dass in der Folge eine erhöhte Pumpleistung erforderlich ist. Dieser Prozess wird durch Biofilmbildung verstärkt. Zudem kann der Biofilm die Filtermembran durchdringen, so dass das Filterelement letztlich zur Quelle von Mikroorganismen wird. Der Einsatz von Filtermembranen ist somit stets mit einer gewissen Prozessunsicherheit verbunden.
Filtersysteme zur Entfernung von Mikroorganismen aus Fluiden basieren auf einem Material, das die Mikroorganismen mechanisch im Filter zurückhält, wobei die verwendeten Materialien häufig mit einer bioziden Substanz ausgestattet sind. Der Filter kann als Kapillare oder als Membran ausgeführt sein, die aus organischen Materialien (z.B. Kunststoff) oder anorganischen Materialien (z.B. Keramik) bestehen. Bei der Ultrafiltration beträgt die Porengröße etwa 0,1 - 0,3 pm für die Rückhaltung von Bakterien und 0,01 - 0,04 pm für die Rückhaltung von Viren. Als biozide Substanzen werden Metalle wie Silber, Kupfer oder Zink, deren Salze, Flalogene bzw. Flalogenide sowie organische Verbindungen wie Triclosan oder quartäre Ammoniumverbindungen eingesetzt. Über ein Depot werden die Biozide sukzessive an das zu filtrierende Medium abgegeben, bis das Depot erschöpft ist. In allen Varianten werden die Mikroorganismen aus dem flüssigen Medium entfernt und verbleiben in den Filtermaterialien, so dass der Strömungswiderstand des Filters mit zunehmender Verwendungsdauer ansteigt. Im ungünstigsten Fall wird der Filter dadurch vollständig blockiert. Durch Biofilmbildung wird dieses Problem zusätzlich verstärkt.
DE 698 257 49 T2 beschreibt eine Filterkassette, die aus einem Kernbauglied besteht, das von mehreren mikroporösen Membranen umgeben ist. Das Kernbauglied besteht aus Aktivkohle, Kunststoff, Papier, Metall und Keramik. Die Membranen bestehen aus einem Polymer der Gruppe Polyester, Polysulfon, Polyethylen und Polypropylen. Das Kernbauglied oder die Membranen sind mit einem antimikrobiell imprägnierten Garn umwickelt. Als antimikrobieller Wirkstoff dient z.B. 5-Chlor-2-(2,4-dichlorphenoxy)phenol. DE 103 353 43 A1 beschreibt ein keramisches Filterelement, das über einen Sinterprozess hergestellt wird, bei dem Oxide, Sulfide, Carbide und Nitride verwendet werden. Zusätzlich ist das Filterelement mit einer bioziden Substanz beschichtet. WO 2008/110166 A1 beschreibt ein Filterelement aus mikroporösen Filtermembranen, deren Porengröße für Filtration von Bakterien oder Viren geeignet ist. Der mikroporöse Filter besteht aus gestapelten Platten aus einem hydrophilen Polymer oder Keramik oder aus Polymerfasern. Als biozide Substanzen werden Flalogene, halogenierte Flarze oder Silber eingesetzt. Die Biozide werden über ein Reservoir zugeführt oder sind in die Filtermaterialien integriert.
US 2001/0009239 A1 beschreibt einen Sandbettfilter für die Wasserfiltration, dessen Partikel mit quartären Ammoniumverbindungen sowie mit Silber oder Kupfer ausgestattet sind. Die Partikel werden zunächst mit Silbernitrat oder Kupfernitrat bei 800 - 900 °C kalziniert. Dann erfolgt die weitere Funktionalisierung von S1O2 mit einer Lösung von 3-(Trimethoxysilyl)- propyldimethyloctadecylammoniumchlorid.
US 2008/0302713 A1 beschreibt einen Filter, der aus einer porösen Membran aus Keramik, Aktivkohle, Metall, Cellulose oder Kunststoff besteht. Die Porengröße beträgt 0,05 - 5,0 pm. Der innere Filterkern ist mit gewickeltem Garn oder Vlies umhüllt, das jeweils mit einer bioziden Ausstattung aus Silber, Kupfer, Zink, deren Verbindungen oder organischen Substanzen versehen ist.
US 6471 876 B1 beschreibt Filterpartikel aus Keramik, Kunststoff oder Glas, die durch Copolymerisation von einem anionischen Polymer und einer keimabtötenden kationischen Substanz beschichtet sind. Die keimabtötende kationische Substanz gehört zur Gruppe der Biguanide, der quartären Ammoniumverbindungen, zu Dijodmethyl-p-tolylsulfon oder zu Zinkpyrithion. Das anionische Polymer setzt sich aus Vinyl- oder Acryl-Einheiten zusammen, die vorzugsweise eine Carboxyl- oder Sulfonylgruppe enthalten. CA 2851 889 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung antimikrobiell aktiver Filter. Die Filter bestehen aus elektrogesponnenen Polymerfasern oder Spinnvlies, die mit Silber oder einer anderen bioziden Substanz beschichtet sind. Die Silberschicht wird durch chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Sol-Gel Abscheidung oder durch eine Kombination der Verfahren abgeschieden.
US 2010/0051527 A1 beschreibt ein mikroporöses Filterelement für Flüssigkeiten mit einer geeigneten Porengröße, um Bakterien oder Viren zurückzuhalten. Eine biozide Substanz wird als Gas, Flüssigkeit oder Feststoff zugeführt. Zusammengefasst ist festzustellen, dass die Funktion herkömmlicher Filter, mit und ohne zusätzliche Ausrüstung mit Bioziden, stets auf der Zurückhaltung der Mikroorganismen basiert. Daher nimmt der Strömungswiderstand derartiger Systeme bei der Verwendung kontinuierlich zu, was zu verringerter Leistung und kürzeren Wartungsintervallen sowie erhöhten Kosten führt. Ohne Einsatz von Bioziden können sich zudem schädliche Biofilme bilden und es kann zu Ausblutungen weiterhin aktiver Mikroorganismen kommen. Werden biozide Substanzen hinzugefügt, kommen zum kontinuierlichen Leistungsabfall aufgrund der Erhöhung der Strömungswiderstände die toxischen oder zumindest umweltbelastenden Eigenschaften der Biozide nachteilig zum Tragen.
Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abreicherung von aktiven Mikroorganismen in Fluiden zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile vermeiden und eine längere Lebensdauer der Vorrichtung sowie eine erhöhte Prozesssicherheit gewährleisten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der der Strömungsbereich mindestens eine antimikrobielle Komponente zur Inaktivierung der Mikroorganismen und mindestens eine Retentionskomponente zur Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen umfasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abreicherung von aktiven Mikroorganismen in Fluiden, beispielsweise flüssigen Medien oder Gasen bzw. Gasgemischen (z.B. Luft), umfasst also mindestens zwei unterschiedlich funktionalisierte Komponenten, d. h. die Kombination einer Komponente, die Mikroorganismen im Durchfluss verlangsamt und somit deren Aufenthaltsdauer in der Vorrichtung erhöht, mit einer antimikrobiell wirksamen Komponente. Das zu entkeimende Medium (Fluid) strömt an beiden Komponenten vorbei. Die Mikroorganismen-verlangsamende und/oder -adsorbierende Retentionskomponente (Adsorptionskomponente) erzeugt durch elektrostatische Wechselwirkung mit den Mikroorganismen einen verzögerten Durchfluss der Mikroorganismen durch den Strömungsbereich. Durch diese Verlangsamung (Retention) der im Medium enthaltenen aktiven Mikroorganismen an der Retentionskomponente wird deren Strömungsgeschwindigkeit derart herabgesetzt, dass ausreichend Zeit für deren Inaktivierung durch die antimikrobielle Komponente bleibt. Danach können die inaktivierten Mikroorganismen im weiteren Strömungsverlauf aus der Vorrichtung ausgetragen werden, so dass beispielsweise die Nachteile eines ansteigenden Strömungswiderstandes oder eine Blockade vermieden werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich also um eine Art „Durchlaufentkeimer“, bei dem die vorbeiströmenden Mikroorganismen an der Retentionskomponente durch „Physisorption“ (sehr schwache Adsorption, s.u.) abgebremst werden, so dass ihre Verweildauer in der Vorrichtung so verlängert wird, dass eine inaktivierung durch die antimikrobielle Komponente erfolgen kann. Durch die Inaktivierung der Mikroorganismen entfällt zudem das Risiko der Biofilmbildung, so dass im Unterschied zu herkömmlichen Vorrichtungen wie z.B. Filterelementen eine längere Betriebsdauer gewährleistet werden kann. Durch diese Effekte werden die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Prozesssicherheit deutlich erhöht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die antimikrobielle Komponente und die Retentionskomponente in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind und/oder zumindest teilweise, mittelbar oder unmittelbar, miteinander in Kontakt stehen. Beide Komponenten sollten also vorzugsweise zumindest benachbart zueinander angeordnet sein, wobei der mögliche Abstand zwischen den Komponenten an die Reichweite der antimikrobiellen Wirkung der jeweilig eingesetzten antimikrobiellen Komponente angepasst sein muss. Eine Komponente kann aber auch direkt auf die andere Komponente aufgebracht sein, so dass die beiden Komponenten sich zumindest teilweise berühren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die antimikrobielle Komponente und die Retentionskomponente schichtförmig angeordnet und/oder miteinander vermengt sind. Beispielsweise können die einzelnen Komponenten in (flachen) Schichten und abwechselnder Stapelreihenfolge kombiniert und/oder in partikulärer Form miteinander vermischt werden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die antimikrobielle Komponente und/oder die Retentionskomponente auf mindestens ein Trägermaterial aufgebracht oder in dieses integriert ist/sind. Die beiden Komponenten können beispielsweise als Schichten bzw. Beschichtungen auf getrennten Trägermaterialien (Substraten) aufgebracht oder auf einem gemeinsamen Trägermaterial (Substrat) kombiniert werden. Die Komponenten sind vorzugsweise als Beschichtung auf die Oberfläche eines Trägermaterials aufgebracht, das vorzugsweise aus Metall, Glas, Kunststoff, Harzen, Ton oder nachwachsenden Werkstoffen wie Chitosan, Cellulose und deren Modifikationen besteht. Das Trägermaterial sollte eine große Oberfläche aufweisen. Vorzugsweise sollte das Trägermaterial ein Gewebe, Vlies, Fasern, Granulaten oder Partikel (z.B. Kügelchen oder Pulverpartikel) umfassen. Die antimikrobielle Komponente kann beispielsweise auch als Granulat oder Pulver in das Trägermaterial integriert sein, so dass eine antimikrobiell wirksame Substanz vom Trägermaterial freigesetzt werden kann. Auf diesem modifizierten Trägermaterial ist vorzugsweise die Retentionskomponente, ggf. in Form von einzelnen Clustern, aufgebracht. Die antimikrobielle Komponente kann aber alternativ auch als Pulver in ein Trägermaterial integriert sein, das eine Mikroorganismen-verlangsamende und/oder -adsorbierende Eigenschaft aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Retentionskomponente mindestens einen Stoff umfasst, der mindestens eine positiv oder negativ geladene funktionelle Gruppe umfasst. Beispielsweise kann die Mikroorganismen-verlangsamende Komponente mindestens ein Polymer umfassen, das aufgrund der vorhandenen funktionelle Gruppen Ladungen (positive und/oder negative Ladungen) aufweist. Solche Polymere können in dünnen Schichten auf eine Oberfläche aufgebracht sein, so dass die Freisetzung der antimikrobiellen Substanzen über die Oberfläche nicht blockiert wird. Als funktionelle Gruppen eignen sich z.B. quartäre Ammonium-verbindungen, um positive Ladungen einzubringen, oder z.B. Sulfonsäuregruppen, um negative Ladungen einzuführen. Die geladenen Zellmembranen der Mikroorganismen interagieren dann aufgrund der Coulombkräfte mit der Oberfläche des geladenen Polymers. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die antimikrobielle Komponente mindestens eine Substanz umfasst, die eine antimikrobielle Wirkung aufweist und/oder mindestens einen antimikrobiell wirkenden Stoff freisetzt oder in situ generiert. Bei der antimikrobiell wirksamen Substanz kann es sich beispielsweise um oligodynamische Metalle wie Silber oder Kupfer und deren Verbindungen, um anorganische Verbindungen wie Natriumhypochlorit oder Borsäure, um organische Verbindungen wie Triclosan oder Dichloroctylisothiazolinon (DCOIT), um metallorganische Verbindungen wie Zink-Pyrithion oder 10,10'-Oxybisphenoxoarsin (OBPA), um Antibiotika wie Amoxicillin oder Methicillin, oder um in-situ generierte reaktive Sauerstoffspezies („ Reactive Oxygen Species“ = ROS) handeln. Zudem ist die Zugabe oder Generierung von Ozon denkbar. Insbesondere für langlebige Vorrichtungen (z.B. Filterelemente) werden als antimikrobiell wirksame Komponente vorzugsweise katalytisch aktive Oberflächen für die in-situ Generierung von ROS eingesetzt, da diese bei dauerhafter Anwendung keine Auslaugung der antimikrobiellen Substanz aufweisen. Solche Systeme für die in-situ Generierung von ROS sind weiter unten beispielhaft näher erläutert (antimikrobiell wirksame Oberfläche „AGXX®“). Alternativ oder zusätzlich kann die antimikrobielle Komponente auch physikalisch antimikrobiell wirken, wie beispielsweise durch UV-Bestrahlung.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, dass der Strömungsbereich röhren- und/oder säulenförmig ausgebildet ist und/oder mindestens ein kanal- und/oder schlauchförmiges Element umfasst.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Form einer Filtersäule und/oder Durchflusssäule ausgebildet sein. Da eine Säule über einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand verfügt, sind die technischen Anforderungen an die verwendete Anlage äußerst gering. Bei entsprechender Ausführung kann die Durchflussanlage ohne Stromversorgung über den hydrostatischen Druck betrieben werden. Im weiteren Strömungsverlauf werden die inaktivierten Mikroorganismen aus der Vorrichtung ausgetragen. Da die Mikroorganismen nicht in der Vorrichtung verbleiben, steigt dessen Strömungswiderstand auch nach längerer Verwendung nicht an. Durch die Inaktivierung der Mikroorganismen entfällt zudem das Risiko der Biofilmbildung, so dass im Unterschied zu Membranfilterelementen eine längere Betriebsdauer gewährleistet ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Material zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen in mindestens einem Fluid gelöst, welches mindestens eine antimikrobielle Komponente zur Inaktivierung der Mikroorganismen und mindestens eine Retentionskomponente zur
Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen umfasst. Die erfindungsgemäßen Materialien (bzw. Filtermaterialien), die vorzugsweise zur Verwendung in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung (und/oder einem Filterelement bzw. einer Filtersäule) vorgesehen sind, ermöglichen in vorteilhafter Weise eine effektive Reinigung des Fluids (z.B. Wasser, Luft etc.) durch zuverlässige Inaktivierung der darin enthaltenen Mikroorganismen im Durchfluss. Das Material ist zu diesem Zweck innerhalb der Vorrichtung derart angeordnet, dass das zu entkeimende Fluid an dem Material vorbeiströmt oder dieses durchströmt. Durch die Verlangsamung der in dem Fluid enthaltenen aktiven Mikroorganismen an der Retentionskomponente wird deren Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt und somit deren Aufenthaltsdauer derart verlängert, dass diese durch die antimikrobielle Komponente inaktiviert werden. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um Fasern, Partikel, Granulat, ein Gewebe, Vlies oder Ähnliches handeln.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Material zusätzlich mindestens ein Trägermaterial umfasst. Das Trägermaterial kann beispielsweise aus Metall, Glas, Kunststoff, Harzen, Ton oder nachwachsenden Werkstoffen wie Chitosan, Cellulose und deren Modifikationen bestehen. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die antimikrobielle Komponente als Substrat dient, das zumindest teilweise mit der Retentionskomponente beschichtet ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, dass das Trägermaterial zumindest teilweise mit der antimikrobiellen Komponente und der Retentionskomponente beschichtet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die antimikrobielle Komponente in vorteilhafter Weise auch zumindest teilweise in das Trägermaterial integriert sein, wobei das mit der antimikrobiellen Komponente dotierte Trägermaterial bei dieser Ausführungsform zumindest teilweise mit der Retentionskomponente beschichtet ist. Die antimikrobielle Komponente kann beispielsweise als Granulat oder Pulver in das Trägermaterial integriert sein, so dass ein antimikrobiell wirksamer Stoff vom Trägermaterial freigesetzt werden kann. Auf diesem modifizierten Trägermaterial ist die Retentionskomponente beispielsweise als dünne Schicht, ggf. in Form einzelner Cluster, aufgebracht, so dass der antimikrobiell wirksame Stoff an die Oberfläche bzw. in die Umgebung des (Keimreduktions-) Materials gelangen kann.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Fluid an mindestens einer antimikrobiellen Komponente und mindestens einer Retentionskomponente vorbeiströmt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen im Strömungsbereich an der Retentionskomponente derart verringert wird, dass die Mikroorganismen durch die antimikrobielle Komponente inaktiviert werden. Durch die Verlangsamung der in dem Fluid enthaltenen aktiven Mikroorganismen an der Retentionskomponente wird deren Strömungsgeschwindigkeit derart herabgesetzt, dass diese durch die antimikrobielle Komponente inaktiviert werden. Durch die Inaktivierung der Mikroorganismen entfällt das Risiko der Biofilmbildung, so dass im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren eine längere Betriebsdauer gewährleistet und die Prozesssicherheit deutlich erhöht werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die inaktivierten Mikroorganismen aus dem Strömungsbereich ausgetragen werden, so dass beispielsweise die Nachteile eines ansteigenden Strömungswiderstandes oder eine Blockade vermieden werden können.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die antimikrobielle Komponente mindestens einen antimikrobiell wirkenden Stoff freisetzt und in den Strömungsbereich abgibt und/oder mindestens einen antimikrobiell wirkenden Stoff in situ im Strömungsbereich generiert. Bei dem antimikrobiell wirkenden Stoff kann es sich beispielsweise um oligodynamische Metalle wie Silber oder Kupfer und deren Verbindungen, um anorganische Verbindungen wie Natriumhypochlorit oder Borsäure, um organische Verbindungen wie Triclosan oder Dichloroctylisothiazolinon (DCOIT), um metallorganische Verbindungen wie Zink- Pyrithion oder 10,10'-Oxybisphenoxoarsin (OBPA), um Antibiotika wie Amoxicillin oder Methicillin handeln. Alternativ oder zusätzlich könnte die antimikrobielle Komponente auch derart ausgewählt sein, dass sie in-situ reaktive Sauerstoffspezies („ Reactive Oxygen Species“= ROS) generiert. Beispielsweise können als antimikrobiell wirksame Komponente katalytisch aktive Oberflächen für die in-situ Generierung von ROS eingesetzt werden, da diese bei dauerhafter Anwendung keine Auslaugung der antimikrobiellen Substanz aufweisen. Solche Systeme für die in-situ Generierung von ROS sind weiter unten beispielhaft näher erläutert (antimikrobiell wirksame Oberfläche „AGXX®“).
Alternativ oder zusätzlich kann die antimikrobielle Komponente auch physikalisch antimikrobiell wirken, wie beispielsweise durch UV-Bestrahlung. „Fluid“ im Sinne der Erfindung bezeichnet jegliche fließfähige Materie bzw. alle fließfähigen Substanzen, Stoffe und Stoffgemische. Insbesondere umfasst der Begriff „Fluid“ u.a. Flüssigkeiten, Suspensionen, Gase, Plasma und/oder Aerosole. „Mikroorganismen“ im Sinne der Erfindung bezeichnet mikroskopisch kleine Organismen oder Partikel, die aus einzelnen oder wenigen Zellen, Zellaggregaten oder organischen Strukturen bestehen. Insbesondere umfasst der Begriff „Mikroorganismen“ u.a. Bakterien, Pilze (einschl. Flefen), Algen, Protozoen und Viren.
„Aktiv“ sind Mikroorganismen im Sinne der Erfindung, wenn sie leben, lebensfähig, stoffwechselaktiv, infektiös und/oder pathogen sind. „Inaktiv“ oder „inaktiviert“ sind Mikroorganismen im Sinne der Erfindung, wenn sie tot oder nicht mehr lebensfähig sind, keinen Stoffwechsel mehr durchführen oder induzieren können, nicht mehr infektiös und/oder nicht mehr pathogen sind.
„Physisorption“ im Sinne der Erfindung bezeichnet eine spezielle Form der Adsorption, bei der das Adsorbatmolekül durch physikalische Kräfte reversibel und temporär an das Substrat gebunden wird. Die physikalischen Kräfte bewirken dabei keine chemische Bindung, sondern sind so schwach, dass die Orbitalstruktur nicht geändert wird. Beispielsweise kann es sich bei diesen Kräften um Van-der-Waals-Kräfte handeln, d.h. elektrostatische Wechselwirkung zwischen induzierten, fluktuierenden Dipolen (London'sche Dispersionskräfte).
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren und Ausführungsformen beispielhaft näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 2 zeigt schematische Darstellungen von Seitenansichten zweier beispielhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung: a) Durchflusseinheit mit stapelweiser Anordnung einzelner Vliese der beiden Komponenten, und b) Durchflusseinheit, bei der beide Komponenten in Form von Partikeln miteinander vermengt sind.
Figur 3 zeigt in drei schematischen Darstellungen den Ablauf einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 5 zeigt ein Balkendiagramm der Keimreduktionseffizienz von Cellulosefasern, die zuerst mit der antimikrobiell wirksamen Oberfläche „AGXX®“ (Ag/Ru, siehe unten) und dann mit dem polykationischen Polymer Poly(N- trimethylammonium)ethylmethacrylat (PTEMA) beschichtet wurden.
Figur 6 zeigt ein Balkendiagramm der Keimreduktionseffizienz von Cellulose- Vlies, das zuerst mit der antimikrobiell wirksamen Oberfläche „AGXX®“ (Ag/Ru, siehe unten) und dann mit dem Polymer PTEMA beschichtet wurde.
Figur 7 zeigt ein Balkendiagramm eines Vergleichs von unterschiedlichen (Keimreduktions-) Materialien zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 8 zeigt eine exemplarische Verlaufskurve des Funktionsprinzips der Retentionskomponente im Durchfluss. Beschreibung vorteilhafter und beispielhafter Ausführunqsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Abreicherung von aktiven Mikroorganismen 2 in Fluiden (z.B. flüssigen Medien), die einen Strömungsbereich 3 und mindestens zwei unterschiedlich funktionalisierte Komponenten umfasst. Hierbei handelt es sich um die Kombination einer Mikroorganismen-verlangsamenden und/oder - adsorbierenden Komponente (= Retentionskomponente 4 bzw.
Adsorptionskomponente) mit einer antimikrobiell wirksamen Komponente (= antimikrobielle Komponente 5), die jeweils als Schicht auf ein Substrat (= Trägermaterial 6) aufgebracht sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst somit mindestens eine Mikroorganismen-verlangsamende Schicht (Komponente 4), die auf ein Substrat aufgebracht ist, und mindestens eine antimikrobiell aktive Schicht (Komponente 5), die auf das selbe oder ein anderes Substrat aufgebracht ist. Das Substrat bzw. die Substrate für beide Komponenten 4, 5 kann bzw. können das gleiche Material (z.B. Vlies, Glaskugeln,
Kunststoffpartikel, etc.) oder unterschiedliche Materialien umfassen. Die beiden Komponenten 4, 5 können auf getrennten Substraten aufgebracht sein oder auf einem gemeinsamen Trägermaterial 6 kombiniert werden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine röhrenförmige Vorrichtung 1, dessen Wandung das Trägermaterial 6 bildet und beispielsweise aus Kunststoff oder Metall bestehen kann. Die innere Oberfläche des Trägermaterials 6 ist mit den Komponenten 4, 5 beschichtet, wobei eine Hälfte des Trägermaterials 6 mit einer Schicht der Retentionskomponente 4 und die andere Hälfte des Trägermaterials 6 mit einer Schicht der antimikrobiellen Komponente 5 beschichtet ist. Das zu entkeimende Fluid mit den Mikroorganismen 2 strömt innerhalb des Strömungsbereichs 3 an den beiden Komponenten 4, 5 vorbei. Durch die Verlangsamung der Durchflussgeschwindigkeit der in dem Fluid enthaltenen aktiven Mikroorganismen 2 (hier lebende Bakterien 7) an der Retentionskomponente 4 (beispielsweise durch elektrostatische Wechselwirkung mit der und/oder reversible und temporäre Anlagerung an die Retentionskomponente 4) wird deren Aufenthaltsdauer in der Vorrichtung derart erhöht, dass diese durch die antimikrobielle Komponente 5 inaktiviert werden. Durch die Inaktivierung der Mikroorganismen 2 kann das Fluid effektiv entkeimt und gleichzeitig die Bildung eines Biofilms im Strömungsbereich 3 verhindert werden. Im weiteren Strömungsverlauf werden die inaktivierten Mikroorganismen 2 (hier abgetötete Bakterien 8) dann aus dem Strömungsbereich 3 der Vorrichtung 1 ausgetragen, so dass es nicht zu einem Ansteigen des Strömungswiderstandes oder einer Blockade durch Zellreste kommen kann.
Die antimikrobielle Komponente 5 kann beispielsweise mindestens eine Substanz umfassen, die eine antimikrobielle Wirkung aufweist und/oder einen antimikrobiell wirkenden Stoff freisetzen bzw. in den Strömungsbereich 3 abgeben kann (siehe Pfeil 9, „Biozid“ = antimikrobiell wirkende(r) Substanz/Stoff). Bei dieser Substanz kann es sich beispielsweise um oligodynamische Metalle wie Silber oder Kupfer und deren Verbindungen, anorganische Verbindungen wie Natriumhypochlorit oder Borsäure, organische Verbindungen wie Triclosan oder Dichloroctylisothiazolinon (DCOIT), metallorganische Verbindungen wie Zink- Pyrithion oder 10,10'-Oxybisphenoxoarsin (OBPA), und/oder Antibiotika wie Amoxicillin oder Methicillin handeln. Zusätzlich oder alternativ kann die antimikrobielle Komponente 5 auch derart zusammengesetzt und ausgebildet sein, dass sie im Strömungsbereich 3 reaktive Sauerstoffspezies („ Reactive Oxygen Species“ = ROS) in-situ generiert (z.B. siehe unten „AGXX®“). Figur 2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen in Fluiden (z.B. flüssigen Medien). Die Vorrichtung 10 umfasst einen zylinderförmigen Bereich 11 und einen daran anschließenden trichterförmigen Bereich 12. Innerhalb des zylinderförmigen Bereichs 11 befindet sich ein Strömungsbereich 13, durch den das zu entkeimende Fluid (hier eine Flüssigkeit) strömt. Im Strömungsbereich 13 sind ferner Retentionskomponenten 14 und antimikrobielle Komponenten 15 angeordnet, an denen das zu entkeimende Fluid vorbeiströmt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der in dem Fluid enthaltenen aktiven Mikroorganismen an den Retentionskomponenten 14 verringert wird, so dass diese durch die antimikrobiellen Komponenten 15 inaktiviert werden können. Zu diesem Zweck ist in den in Figur 2 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ein Material 16 vorgesehen, das die beiden Komponenten 14, 15 umfasst und entweder in Form von im Wechsel stapelweise angeordneten Vliesen (Figur 2a) oder miteinander vermengten Fasern oder Partikeln (hier Kügelchen, Figur 2b) im Strömungsbereich 13 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2a handelt es sich um Vlieselemente, die jeweils mit einer von beiden Komponenten 14, 15 beschichtet sind und in wechselnder Komponentenfolge stapelweise kombiniert wurden. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2b handelt es sich um Partikel, die jeweils mit einer von beiden Komponenten 14, 15 beschichtet sind und dann in gewissen Mengenanteilen miteinander vermischt wurden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist also als eine Art Keimreduktionssäule ausgebildet, wobei das zu reinigende Fluid beim Durchfließen des Strömungsbereichs 13 und damit der Materialien 16 durch Inaktivieren der darin enthaltenen Mikroorganismen entkeimt wird. Im weiteren Strömungsverlauf werden die inaktivierten Mikroorganismen dann überden trichterförmigen Bereich 12 aus der Vorrichtung 10 ausgetragen. Da eine solche Keimreduktionssäule einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand aufweist, sind die technischen Anforderungen an die verwendete Vorrichtung 10 äußerst gering. Bei entsprechender Ausführung kann die Keimreduktionssäule ohne Stromversorgung über den hydrostatischen Druck betrieben werden. Da die Mikroorganismen nicht im Material 16 verbleiben, steigt der Strömungswiderstand im Strömungsbereich 13 auch nach längerer Verwendung nicht an. Durch die Inaktivierung der Mikroorganismen kann gleichzeitig eine Biofilmbildung verhindert werden, so dass im Unterschied zu Membranfilterelementen eine längere Betriebsdauer gewährleistet ist.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, die im Wesentlichen der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 entspricht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Bestandteile der in Figur 3 schematisch dargestellten Vorrichtung 20 daher mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie die entsprechenden Bestandteile der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1. Im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 sind die Komponenten 4, 5 der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung 20 nicht nebeneinander auf das Trägermaterial 6 aufgebracht, sondern übereinander. Dabei wurde zunächst die antimikrobiell wirksame Komponente 5 auf das Trägermaterial 6 aufgebracht und dann mit der Retentionskomponente 4 beschichtet. Die Retentionskomponente 4 weist auf ihrer Oberfläche positiv geladene funktionelle Gruppen 17 auf, die der reversiblen Bindung von Mikroorganismen dienen. Die antimikrobielle Komponente 5 umfasst eine Substanz, die einen antimikrobiell wirkenden Stoff freisetzt und in den Strömungsbereich 3 abgibt (siehe Pfeil 9, „Biozid“ = antimikrobiell wirkender Stoff) (Figur 3a). Das Biozid passiert dabei die Beschichtung (=
Retentionskomponente 4) der antimikrobiellen Komponente 5 und gelangt in das zu reinigende Fluid im Strömungsraum 3. Die in den Strömungsraum 3 eintretenden Mikroorganismen werden mittels der geladenen funktionellen Gruppen 17 an der Oberfläche der Retentionskomponente 4 verlangsamt (Figur 3b). Dort werden sie dann durch den freigesetzten, antimikrobiellen Stoff („Biozid“) inaktiviert bzw. abgetötet. Da die Mikroorganismen keine permanenten Bindungenen zur Oberfläche der Retentionskomponente 4 ausbilden, werden sie anschließend von dem durchströmenden Fluid aus dem Strömungsraum 3 ausgetragen (Figur 3c).
Figur 4 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30, die im Wesentlichen der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 entspricht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Bestandteile der in Figur 4 schematisch dargestellten Vorrichtung 30 daher mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie die entsprechenden Bestandteile der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 und der Vorrichtung 20 gemäß Figur 3. Im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 und zur Vorrichtung 20 gemäß Figur 3 ist bei der in Figur 4 dargestellten Vorrichtung 30 die antimikrobielle Komponente 5 in Form einer Vielzahl einzelner Partikel in das Trägermaterial 6 integriert. Die antimikrobielle Komponente 5 umfasst eine Substanz, die einen antimikrobiell wirkenden Stoff freisetzt und in den Strömungsbereich 3 abgibt (siehe Pfeil 9, „Biozid“ = antimikrobiell wirkender Stoff). Die antimikrobielle Komponente 5 kann beispielsweise ein Feststoff sein, der sich allmählich in einem flüssigen, durchströmenden Medium auflöst, oder in- situ ROS erzeugt. Zu diesem Zweck muss das Trägermaterial 6 (z.B. Zellulose oder ein Kunststoff) eine gewisse Wasseraufnahme ermöglichen.
Figur 5 veranschaulicht die Keimreduktionseffizienz von Cellulosefasern, die zuerst mit der antimikrobiell wirksamen Oberfläche „AGXX®“ (siehe unten) und dann mit dem Polymer Poly(N-trimethylammonium)ethyl-methacrylat (PTEMA) beschichtet wurden. Es wurden jeweils 1000 ml einer Bakteriensuspension von E. coli mit steigender Anzahl an koloniebildenden Einheiten filtriert. Als Keimreduktionsmaterial wurden 118 mg Cellulose-Fasern eingesetzt, die zuerst mit der antimikrobiellen Oberfläche „AGXX®“ und dann mit dem polykationischen Polymer PTEMA beschichtet worden waren. Die Keimreduktionsffizienz wurde jeweils durch Ausplattieren bestimmt. Bis zu einer Keimbelastung von 6,0 x 105 KBE/ml beträgt die Effizienz 99,9 %. Steigt die Keimbelastung weiter an, reicht die Wirkung der Materialmenge nicht mehr aus und die Keimreduktionseffizienz nimmt ungefähr linear ab. Für eine Keimbelastung von 1,4 x 107 KBE/ml beträgt die Keimreduktionseffizienz 93,7 %. Figur 6 zeigt die Keimreduktionseffizienz von Cellulose-Vlies, das zuerst mit der antimikrobiell wirksamen Oberfläche „AGXX®“ (siehe unten) und dann mit dem polykationischen Polymer PTEMA beschichtet wurde. Es wurden jeweils 1000 ml einer Bakteriensuspension von E. coli mit einer Keimzahl von 1,5 x 106 KBE/ml gereinigt. Hierbei wurde die Strömungsrate zwischen Werten vom 90 - 500 ml/min. variiert. Als Keimreduktionsmaterial wurden neun in einem Stapel angeordnete Cellulose-Vliese verwendet (500 mg), die zuerst mit der antimikrobiellen Oberfläche „AGXX®“ und anschließend mit dem Polymer PTEMA beschichtet worden waren. Die Keimreduktionseffizienz wurde jeweils durch Ausplattieren bestimmt. Die Keimreduktionseffizienz betrug für alle Strömungsraten 99,9 %. Unter den gewählten Versuchsbedingungen konnte keine Abnahme der Effizienz beobachtet werden.
In Figur 7 ist der Vergleich von unterschiedlichen Materialien dargestellt. Es handelt sich hierbei jeweils um Mischungen der beiden Komponenten 14, 15 gemäß Figur 2b. Die beiden Komponenten 14, 15 wurden einerseits jeweils auf Cellulose-Pulver präpariert, wobei von beiden Materialien jeweils 25 mg miteinander vermischt wurden (System a). Ein weiteres Keimreduktionssystem besteht aus Cellulose-Pulver, das zuerst mit der antimikrobiell wirksamen Oberfläche „AGXX® (siehe unten) und anschließend mit dem polykationischen Polymer PTEMA beschichtet wurde (System b). Von diesem Pulver wurden 50 mg eingesetzt. Für beide Systeme wurde die Keimreduktionseffizienz an Pseudomonas aeruginosa und Legionella pneumophila ermittelt. System a weist eine Keimreduktion für P. aeruginosa von 90,0 % und für L pneumophila von 95,8 % auf. Für System b betragen die Keimreduktionen für P. aeruginosa 97,4
% und für L pneumophila 99,3 %. Die Kombination der beiden Komponenten (Retentionskomponente und antimikrobielle Komponente) auf einem Trägermaterial erweist sich somit als deutlich effizienter als die Mischung der beiden Einzelkomponenten.
In Figur 8 ist exemplarisch das Funktionsprinzip der Retentionskomponente im Durchfluss dargestellt. Ohne Wechselwirkung der durchströmenden Mikroorganismen mit der Retentionskomponente werden diese zum Zeitpunkt ti aus dem System ausgetragen. Die vollständige Abtötung der Mikroorganismen durch die antimikrobielle Komponente wird erst für die Verweildauer tmin erzielt. Daher ist die Verweildauer der Mikroorganismen für eine Deaktivierung der Mikroorganismen durch die antimikrobielle Komponente nicht ausreichend. Aufgrund der erfindungsgemäß eingestellten Wechselwirkung der Mikroorganismen mit der Retentionskomponente wird deren Verweildauer im System derart erhöht, dass die Mikroorganismen vollständig abgetötet werden.
In -situ generierte reaktive Sauerstoffspezies („Reactive Oxygen Species“ = ROS) können von der antimikrobiellen Komponente als katalytisch aktive Oberfläche zur effektiven Inaktivierung von Mikroorganismen im Strömungsbereich bzw. an der Retentionskomponente erzeugt werden. Vorzugsweise umfasst die antimikrobielle Komponente zu diesem Zweck eine bioaktive Zusammensetzung (antimikrobiell wirksame Oberfläche „AGXX®“), die mindestens zwei Elemente (z.B. metallisches Silber und metallisches Ruthenium) umfasst, wobei diese Elemente zumindest mit ihren jeweiligen Oberflächen derart miteinander in elektrisch leitendem Kontakt stehen, dass in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff der im Wasser gelöste Sauerstoff bei Kontakt mit der katalytisch aktiven Oberfläche reduziert wird und aktive Sauerstoffspezies (ROS) entstehen, die dann an die Umgebung (z. B. in den Strömungsbereich) abgegeben werden. Die antimikrobiell wirksame Oberfläche „AGXX®“ umfasst somit in vorteilhafter Weise ein bioaktives Materialsystem, an dessen Elektroden des gebildeten mikrogalvanischen Elements Redox-Reaktionen ablaufen, die zu einer Abtötung der Mikroorganismen führen. An der Kathode (Ruthenium) wird dabei molekularer Sauerstoff zu Sauerstoffradikalen reduziert, die dann toxisch auf die Mikroorganismen wirken. Eine „AGXX®“-Oberfläche bzw. -Beschichtung kann beispielsweise durch das Aufbringen von Silber- und Ruthenium-Schichten auf geeignete Trägermaterialien mittels chemisch-reduktiver Prozesse oder herkömmlicher Galvanotechnik hergestellt werden, wobei zunächst eine Silberschicht auf das Trägermaterial aufgebracht wird, die dann mit einer mikroporösen (clusterförmigen) Rutheniumschicht beschichtet wird. Insbesondere bei der Beschichtung sehr kleiner Partikel und/oder nicht-leitender Stoffe (z.B. Glas, Cellulose, Kunststoff) erfolgt diese vorzugsweise durch Verfahren der außenstromlosen Metallabscheidung, bei denen entweder das zu beschichtende Trägermaterial als Reduktionsmittel dient (Austauschverfahren) oder einem Elektrolyt ein Reduktionsmittel zugesetzt wird (Reduktionsverfahren). Galvanische Beschichtungsverfahren eignen sich dagegen ausschließlich für die Beschichtung elektrisch leitender Materialien, wobei der zu beschichtende Werkstoff leitend mit einer Elektrode verbunden wird. Die vorliegende Erfindung betrifft also eine bioaktive Vorrichtung und ein bioaktives Material, die jeweils eine antimikrobiell wirksame Oberfläche in Kombination mit einer Mikroorganismen-verlangsamenden Oberfläche umfassen. Zwischen beiden Oberflächen besteht eine enge räumliche Nähe. Idealerweise wird eine Mikroorganismen-verlangsamende Beschichtung direkt auf einer antimikrobiell wirksamen Oberfläche aufgebracht. Die antimikrobiell wirksame Oberfläche setzt eine Substanz bzw. einen Stoff frei, die/der zur Inaktivierung (Abtötung) der mikrobiellen Kontamination führt. Da dieser Prozess eine gewisse Wirkdauer voraussetzt, wird die Verweildauer der Mikroorganismen durch das Mikroorganismen-verlangsamende Material erhöht. Es findet dabei keine dauerhafte Anbindung der Mikroorganismen an der Beschichtung statt. Die abgetöteten Mikroorganismen werden im Gegensatz zu herkömmlichen Filterverfahren zum großen Teil aus der Vorrichtung bzw. dem System ausgetragen.
Herkömmliche Verfahren zur Entkeimung von Flüssigkeiten basieren häufig auf dem Einsatz von Tiefenfiltern oder Membranfiltern, wobei die Mikroorganismen in dem Filtermaterial verbleiben. Die Vorteile dieser Technologie im Vergleich zur Strahlen- oder Wärmesterilisation liegen in dem geringen technischen Aufwand und niedrigen Energiekosten. Als nachteilig hat sich aber erwiesen, dass mit zunehmender Betriebsdauer die im Filter verbleibenden Rückstände zu einem Anstieg des Strömungswiderstandes führen. Bei herkömmlichen Fitrationsverfahren verbleiben zurückgehaltene Mikroorganismen im Filterelement. Dort können sie sich häufig ungehindert vermehren, wodurch der Strömungswiderstand zusätzlich ansteigt. Viele Mikroorganismen sind in der Lage einen Biofilm auszubilden, der eine hohe Anzahl an planktonischen Zellen freisetzt. Der Biofilm kann die Filtermembran durchdringen, so dass in der Folge das Filterelement seine Funktion verliert und sogar zu einer Belastung mit Mikroorganismen beiträgt. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Entkeimung zur Verfügung, bei dem die Mikroorganismen hingegen nur im Durchfluss verlangsamt, durch einen freigesetzten antimikrobiellen Stoff abgetötet und diese wieder aus dem System ausgetragen werden. Durch diese neuartige Entkeimungsmethode werden die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile des ansteigenden Strömungswiderstandes, der Filterblockade sowie der Biofilmbildung vermieden. Dadurch werden die Lebensdauer der Vorrichtung sowie die Prozesssicherheit deutlich erhöht.
Die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Materialien hängt von der Menge der eingesetzten Komponenten, der Geometrie des Materials, der Geometrie des Keimreduktionselements, von der Keimbelastung des Fluids, von den physikalischen Eigenschaften des Fluids sowie von dessen Strömungsgeschwindigkeit ab. Aufgrund der universellen Eigenschaften des erfindungsgemäßen (Keimreduktions-) Materials kann die Effizienz durch einen geeigneten Aufbau an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Die vorliegende Erfindung erlaubt die Entwicklung hocheffizienter Systeme zur Entkeimung von Fluiden (z.B. Flüssigkeiten) mit hoher Lebensdauer.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 , 10, 20, 30) zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen (2) in Fluiden, welche mindestens einen
Strömungsbereich (3, 13) umfasst, der von dem Fluid durchströmbar ist, wobei der Strömungsbereich (3, 13) mindestens eine antimikrobielle Komponente (5, 15) zur Inaktivierung der Mikroorganismen (2) und mindestens eine Retentionskomponente (4, 14) zur Fierabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen (2) umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobielle Komponente (5, 15) und die Retentionskomponente (4, 14) in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind und/oder zumindest teilweise, mittelbar oder unmittelbar, miteinander in Kontakt stehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobielle Komponente (5, 15) und die Retentionskomponente (4, 14) schichtförmig angeordnet und/oder miteinander vermengt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobielle Komponente (5, 15) und/oder die Retentionskomponente (4, 14) auf mindestens einem Trägermaterial (6) aufgebracht oder in dieses integriert ist/sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Retentionskomponente (4, 14) mindestens einen Stoff umfasst, der mindestens eine positiv oder negativ geladene funktionelle Gruppe umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobielle Komponente (5, 15) mindestens eine Substanz umfasst, die eine antimikrobielle Wirkung aufweist und/oder mindestens einen antimikrobiell wirkenden Stoff freisetzt oder in situ generiert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsbereich (3, 13) röhren- und/oder säulenförmig ausgebildet ist und/oder mindestens ein kanal- und/oder schlauchförmiges Element umfasst.
8. Material (16) zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen (2) in mindestens einem Fluid, welches mindestens eine antimikrobielle Komponente (5, 15) zur Inaktivierung der Mikroorganismen (2) und mindestens eine Retentionskomponente (4, 14) zur Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen (2) umfasst.
9. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zusätzlich mindestens ein Trägermaterial umfasst.
10. Material nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobielle Komponente als Substrat dient, das zumindest teilweise mit der Retentionskomponente (4, 14) beschichtet ist.
11. Material nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial zumindest teilweise mit der antimikrobiellen Komponente (5, 15) und der Retentionskomponente (4, 14) beschichtet ist.
12. Material nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobielle Komponente (5, 15) zumindest teilweise in das Trägermaterial integriert ist und dass das Trägermaterial zumindest teilweise mit der Retentionskomponente (4, 14) beschichtet ist.
13. Verfahren zur Reduzierung der Anzahl aktiver Mikroorganismen (2) in mindestens einem Fluid, wobei das Fluid mindestens einen Strömungsbereich (3, 13) durchströmt und dabei an mindestens einer antimikrobiellen Komponente (5, 15) und mindestens einer Retentionskomponente (4, 14) vorbeiströmt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen (2) im Strömungsbereich (3, 13) an der Retentionskomponente (4, 14) derart verringert wird, dass die Mikroorganismen (2) durch die antimikrobielle Komponente (5, 15) inaktiviert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die inaktivierten Mikroorganismen (2) aus dem Strömungsbereich (3, 13) ausgetragen werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobielle Komponente (5, 15) mindestens einen antimikrobiell wirkenden Stoff freisetzt und in den Strömungsbereich (3, 13) abgibt und/oder mindestens einen antimikrobiell wirkenden Stoff in situ im Strömungsbereich (3, 13) generiert.
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