Biotenside gegen Biofilme
Kühl- und Klimakreisläufe mit Keimen nachhaltig reinigen
Wasserkreisläufe in Kühl- und Klimasystemen müssen hygienisch betrieben und regelmäßig desinfiziert werden. Zur Bekämpfung von Keimen werden üblicherweise Biozide oder UV-Licht eingesetzt. Allerdings entfernen diese Verfahren nur bedingt den Nährboden für Krankheitserreger wie etwa Legionellen: Biofilme in den Leitungswegen. Eine Alternative bietet die Katalysatortechnologie: Sie eliminiert freie Keime im Wasser und entfernt mit deren Überresten Biofilme – bei deutlich reduziertem oder völlig ohne Chemikalieneinsatz.
Wasser spendet Leben – auch in Kühl- und Klimasystemen oder Raumlufttechnischen Anlagen, in denen die Vermehrung von Mikroorganismen vermieden werden muss. Denn ohne desinfizierende Maßnahmen werden solche Wasserkreisläufe schnell zu Lebensräumen für Krankheitserreger, die sich frei im Wasser bewegen und an den Leitungsoberflächen ein eigenes Habitat bilden: den Biofilm.
Risikofaktor Biofilm
in Wasserkreisläufen
Der Biofilm ist eine Ansammlung verschiedenster Mikroorganismen. Er hat seinen Ursprung in der Fixierung eines einzelnen Keims. Durch Vermehrung und Anlagerung auch anderer Organismen entstehen geschlossene dreidimensionale Gebilde, in denen Stoffwechsel- und Vermehrungsprozesse symbiotisch optimiert werden. Neben den Mikroorganismen selbst besteht der Biofilm aus extrazellulären, polymeren Substanzen, in denen Wasser und Nährstoffe eingelagert werden. Diese Substanzen schirmen den Biofilm auch wirksam gegen schädliche äußere Einflüsse wie Biozide ab.
Ein Biofilm besteht aus einer aeroben, dem Wasser zugewandten Deckschicht und einer anaeroben Schicht, die mit dem Werkstoff kommuniziert. Hier kann es zu mikrobiell induzierter Korrosion kommen, denn sogenannte Eisenoxidierer und Sulfatreduzierer verstoffwechseln den Werkstoff – auch Edelstahl. Der Biofilm gibt außerdem hygienisch bedenkliche Keime ab, beispielsweise Legionellen, die nur im Biofilm vermehrungsfähig sind. Darüber hinaus ist er Heimstätte für Schimmel- und Hefepilze und fungiert als Wirt für Viren.
Konventionelle Biofilmbekämpfung
Wasserkreisläufe werden in der Regel chemisch durch den Einsatz von Chlor, Chlordioxid, Wasserstoffperoxid, Silberionen oder Ozon desinfiziert. Gebräuchlich sind auch physikalische Verfahren wie die Bestrahlung mit UV-Licht. Diese Methoden töten zwar freie Keime im Wasser, greifen vorhandene Biofilme jedoch nur bedingt an und lösen sie nicht ab. Die tote Biomasse bleibt an den Oberflächen haften und durch die Vermehrung resistenter Organismen sowie den Eintrag neuer Organismen kommt es schnell wieder zur Verkeimung.
Zur Beseitigung von Biofilmen setzt man daher in regelmäßigen Abständen starke Laugen oder Säuren ein, die allerdings auch die Werkstoffe angreifen. Werden die bei Desinfektion und Biofilmbekämpfung abgetöteten Bakterien nicht schnell genug aus den Anlagen abgeschlämmt, entstehen durch Zersetzungsprozesse verstärkt schädliche Endotoxine. Diese stellen ebenso wie Rückstände der aggressiven Chemikalien ein Gesundheitsrisiko für den Nutzer dar. In Raumlufttechnischen Systemen können sie über mitgerissene Wassertröpfchen in die Zuluft der Räume gelangen und dort eingeatmet werden. Die dadurch hervorgerufenen Beschwerden sind unter der Bezeichnung „Sick Building-Syndrom“ hinreichend bekannt und verursachen erhebliche wirtschaftliche Schäden.
Wie aus Keimen
Biotenside entstehen
Eine Alternative ist die „VWS MOL-Katalysatortechnologie“ der Wassertechnikunternehmen Berkefeld (www.berkefeld.de) und MOL Katalysatortechnik (www.molkat.de). Sie nutzt die biochemischen Eigenschaften der Mikroorganismen, um aus Keimen umweltverträgliche und gesundheitlich unbedenkliche Biotenside zu bilden. Diese Biotenside durchdringen sozusagen „inkognito“ die Schutzschicht des Biofilms, lösen ihn schonend von den Oberflächen ab und sorgen dafür, dass die entfernten Beläge biologisch inert, also nicht schädlich sind.
Eine Voraussetzung für den Prozess ist die spezielle Zellmembranstruktur von Bakterien. Deren Hüllen bestehen im Wesentlichen aus Phospholipiden mit C = C-Doppelbindungen, die eine partielle Oxidation ermöglichen. Bei dieser Reaktion werden die Bakterien abgetötet und die Phospholipide in Phosphat, Glycerin sowie partiell oxidierte Fettsäuren umgewandelt. Diese Stoffe sind ungefährlich und wirken als Biotenside, insbesondere die Fettsäuren. Sie verteilen sich im Wasserkreislauf und zerstören im arteigenen Biofilm die Wasserstoffbrückenbindungen zum Werkstoff. Es existieren zwei Verfahren, um die Oxidationsreaktion in Gang zu setzen: Beim „VWS MOL CLEAN-Prozess“ werden geringe nicht toxische und nicht korrosive Mengen Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel zugeführt. Ein Vollmetallkatalysator katalysiert die Biotensidbildung. Das Verfahren bietet sich insbesondere zur Beseitigung von bestehenden Biofilmen im Rahmen von Anlagensanierungen an.
Chemikalienfreie Biotensidbildung mit Licht
„VWS MOL LIK“, die Weiterentwicklung des Prozesses, funktioniert völlig ohne die Zugabe von Chemikalien durch lichtinduzierte Katalyse: Als Dipolmolekül dissoziiert Wasser in geringem Umfang in Protonen und Hydroxidanionen. Die Hydroxidanionen wandeln sich unter Abgabe von Elektronen in Hydroxylradikale (OH-) um. Diese sind das Oxidationsmittel in dem Prozess. Da die Lebensdauer der Hydroxylradikale mit 10–6 Sekunden sehr gering ist, müssen sie stabilisiert werden. Dazu eignet sich eine an der Oberfläche des Katalysators angebrachte, extrem dünne NOA-Folie (NOA = Nano-structured Oxigen Alloys), die aus nanostrukturierten Oxidschichten auf einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung bestehen.
Das positive elektrische Potential der NOA-Folie zieht freie Bakterien im Wasser aufgrund ihrer negativen Außenladungen innerhalb von weniger als einer Sekunde zur Katalysatoroberfläche. Dort treffen sie auf die reaktionsfreudigen Hydroxylgruppen und auf einen Katalysator, der seinen Elektronenmangel beheben möchte. Unter dem Einfluss von Tageslicht oder einer alternativen Lichtquelle setzt die oxidative Zerlegung der Bakterien ein und Biotenside werden gebildet. Die restlichen freien Keime im Wasser werden durch geringe Wasserstoffmengen eliminiert, die bei der Eigendissoziation des Wassers entstehen: Die bei der Bildung der Hydroxylradikale abgegebenen Elektronen reagieren mit den Protonen im Wasser zu Wasserstoff. Unter technischen Bedingungen liegt die freigesetzte Wasserstoffkonzentration unterhalb der Nachweisgrenze.
Vorteile und Anwendungsfelder
Beide „VWS MOL-Verfahren“ bieten gegenüber konventionellen Desinfektionsmethoden eine Reihe von Vorteilen. Sie eliminieren wirksam sowohl freie Keime im Wasser als auch Biofilme. Die Oxidationsmittel für die katalytische Biotensidbildung werden lediglich an der Katalysatoroberfläche gebildet, in der freien Lösung sind sie nicht „lebensfähig“. Der „VWS MOL LIK-Prozes“s funktioniert zudem ohne Zugabe von Chemikalien, das Oxidationsmittel entsteht hier direkt aus dem Wasser. Freie Keime im System werden auf der Katalysatoroberfläche aufkonzentriert und gezielt zur selektiven Reaktion mit dem jeweiligen Oxidationsmittel gebracht. Dabei entstehen keine unerwünschten Neben- oder Folgeprodukte wie Endotoxine. Im Gegensatz zu den Reaktionspartnern verteilen sich die unbedenklichen Biotenside im gesamten Wasserkreislauf und lösen Biofilme auch in großer Entfernung zum Katalysator effektiv ab. Die gelösten Biofilmfragmente sind unschädlich und können gefahrlos abgeschlämmt werden.
Weil der Biofilm restlos entfernt wird, hält die desinfizierende Wirkung länger an. Zudem ist sie nachhaltig, denn die katalytische Reaktion setzt immer dann ein, wenn freie Bakterien im Wasser auftreten. Die „VWS MOL“-Verfahren schonen die Umwelt und reduzieren Betriebskosten, da sie den Einsatz von Bioziden erheblich reduzieren bzw. vermeiden. Die Technologie sorgt für eine optimale Energieeffizienz, weil die Entfernung von Biofilmbelägen Wärmeübergänge und Strömungsprozesse verbessert. Werkstoffe werden durch die Verfahren nicht angegriffen, dadurch sinkt der Wartungsaufwand.
Beide Verfahren erfüllen geltende Standards. Der chemikalienfreie „VWS MOL LIK-Prozess“ erspart Betreibern außerdem die Zulassung nach der Biozidrichtlinie und die Registrierung gemäß Reach-Verordnung.
