DE10258898A1

DE10258898A1 - Inaktivierung von Mikroorganismen

Info

Publication number: DE10258898A1
Application number: DE10258898A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Gollnisch; Jürgen Dr. Pröter; Berthold Dr. Gartner; Claudia Wagner
Original assignee: INST ENERGETIK und UMWELT GGMB; Institut fur Energetik und Umwelt Ggmbh
Current assignee: MAMEROW, BERND, 22339 HAMBURG, DE
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Inaktivierung von Mikroorganismen unter Verwendung eines Kavitationsgenerators. DOLLAR A Wasser, insbesondere Trink- und Brauchwasser, welches in der Lebensmittelindustrie, im medizinischen und pharmazeutischen Bereich genutzt wird, unterliegt einer besonderen Kontrolle in Bezug auf Krankheitserreger. DOLLAR A Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Mikroorganismen mittels eines hohen Kavitationsenergiepotenzials, welches in die Flüssigkeit eingetragen wird, und einer Behandlung der Flüssigkeit mittels systemeigenen Ultraschallschwingungen inaktiviert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Inaktivierung von Mikroorganismen unter Verwendung eines Kavitationsgenerators
Wasser, insbesondere Trink- und Brauchwasser, welches in der Lebensmittelindustrie, im medizinischen und pharmazeutischen Bereich genutzt wird, unterliegt einer besonderen Kontrolle in Bezug auf Krankheitserreger.
In der Bundesrepublik Deutschland wird in der Regel der einwandfreie Zustand des Wassers durch die Kopplung der Maßnahmen Schutz der Gewässer, Aufbereitung des benötigten Wassers und gegebenenfalls nachsorgende Desinfektion gewährleistet.
Dennoch wird das Auftreten von Krankheitsfällen, ausgelöst durch Bakterien oder Protozoen im Wasser, immer wieder beobachtet und haben zu nicht unerheblichen Krankheitsfällen geführt.
Die Ansteckung im Falle der Legionellose findet vorwiegend durch Inhalation eines infektiösen Aerosols statt und nicht über andere Übertragungswege. Das bedeutet, dass Duschen, Whirlpools und Klimaanlagen zu einer wesentlichen Infektionsquelle werden können. Demgegenüber erfolgt die Infektion mit den Parasiten Giardia lamblia und Cryptosporidium parvum oral z.B. über Wasser oder durch direkten Kontakt und löst in beiden Fällen heftige Durchfälle aus.
Die im Zuge einer klassischen Wasseraufbereitung für Oberflächenwasser durchgeführten Maßnahmen sind für die Vernichtung derartiger Erreger nicht immer ausreichend. Grund dafür ist das Auftreten dieser Mikroorganismen in einer Form, die resistent gegenüber üblichen Desinfektionsmitteln ist (Cysten/Oocysten), sich durch übliche Filtersysteme nicht immer abtrennen lässt oder die in nachgeschalteten Wasserverteilungsnetzen in der Lage ist, sich wieder erneut zu vermehren (Legionellen in Amöben).
Letztendlich ergeben sich aus Sicht der Mikrobiologie zwei Schutzmechanismen der Mikroorganismen gegenüber den Schutzmaßnahmen des Menschen für sein Trinkwasser:

a) Der eigentliche Erreger, das Bakterium, umgibt sich mit einer "Schutzhülle", entweder mit partikulärer toter organischer Substanz oder mit einem weiteren Organismus (Endoparasitismus, Endosymbiose)
b) Der Erreger ist in der Lage, Formen auszubilden, die wiederstandfähig sind gegenüber Desinfektionsmassnahmen, wie z.B. die Dauerformen der Parasiten Giardia lamblia und Cryptosporidium.

Bakterien, die durch Aggregation oder durch umgebende Partikel geschützt sind, lassen sich zuweilen mit Chlor, Chlordioxid oder Ozon nicht abtöten. Als "Partikel" können hierbei auch lebende Organismen fungieren, wie es bei Legionellen der Fall ist.
Legionellen sind gramnegative Stäbchen, strikt aerob und bilden keine Sporen aus.
Sie wachsen sehr schnell innerhalb von frei lebenden Amöben (Acanthamoeba, Naegleria, Echinamoeba, Hartmannella, TetraRymena und in gewissen Ciliaten. Sie benützen aber auch andere Mikroorganismen als Quelle für Enzyme und Nährstoffe. Aufgrund ihrer endoparasitischen Lebensweise sind Legionellen nicht nur gegenüber den üblichen Desinfektionsverfahren geschützt, die Zysten der Amöben reagieren relativ inert auf diese chemischen Mittel, sondern haben auch die Möglichkeit sich bei geringen Nährstoffkonzentrationen im Trinkwasser massenhaft zu vermehren.
Die Amöben selbst treten auch bei Reinwasser sekundär im Verteilungssystem auf, da sie sich von den auf den Oberflächen bildenden Biofilmen ernähren können.
Legionellen treten vor allem in Warmwassersystemen unter den ihr Wachstum begünstigenden Temperaturen auf und können zu einer Gefährdung werden.
Krankheitserreger sind also somit nicht nur einer primären Verschmutzung des Wassers zuzuschreiben, sondern können sich auch sekundär, d.h. im anschließenden Verteilungssystem nach der Wasseraufbereitung vermehren und zu einer akuten Gefährdung werden.
Es sind Verfahren bekannt, nach welchen Mikroorganismen mittels Ultraschall abgetötet werden sollen, beispielsweise aus der WO 01/02302.
Bekannt zur Vernichtung dieser Mikroorganismen ist aus der DE 42 04 607 ein Verfahren, nachdem das zu behandelnde Wasser Schwingungen ausgesetzt wird. Diese Schwingungen können unterschiedlichen Frequenz- und Leistungsbereiche aufweisen. Die Leistung ist dabei so zu wählen, daß sie zur Erzeugung einer Kavitation geeignet ist.
Auch bekannt ist eine Vorrichtung zur Entkeimung von Wasser, welche mit einem Ultraschallschwinger versehen ist, welcher die im Wasser befindlichen Keimträger aufschließt. Desweiteren weist die Vorrichtung eine UV-Lampe auf, mittels derer die freigelegten Keime abgetötet werden.
Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist, daß keine volle Abtötung der Bakterien erfolgt.
Ursache dafür ist, daß sich bei der bisherigen Ultraschallbehandlung der Ultraschall mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle verliert.
Die pro Fläche erzeugt Anzahl von „Kavitationsblasen" reicht nicht aus, um kleine Mikroorganismen abzutöten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Inaktivierung von Mikroorganismen zu schaffen, mit dem sowohl in besonders vorteilhafter Weise das Aufschließen als auch das Abtöten der Mikroorganismen erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Besondere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nachfolgend soll die Erfindung näher erläutert werden.
Mikroorganismen im Sinne dieser Erfindung sind Prokaryonten, Protozoen, Algen und Pilze.
Da zur Inaktivierung von Mikroorganismen dieselben frei vorliegen müssen, wird in einem ersten Verfahrensschritt unter Einsatz eines Kavitationsgenerators nach dem Rotor-Stator-Prinzip ein hohes Energiepotenzial in die Flüssigkeit eingetragen.
Die Ausgestaltung des Kavitationsgenerators gemäß dem Rotor-Stator-Prinzip ermöglicht die Besonderheit der gleichzeitigen Beanspruchung der Mikroorganismen durch Unterdruck, Kavitation, Quetschung, Reibung, Prall- und Scherwirkung sowie Ultraschall.
Die diesem Kavitationsgenerator eigenen hohen Scherkräfte zwischen sehr engen Spalten und an einer großen Zahl von Rotor- und Statorkanten erzeugen eine Vielzahl von sich auch teilweise überlagernden Prall- und Scherwirkungen und führen im weiteren auch zu Erscheinungen von Abrisskavitation, mittels welcher ein Aufschließen beziehungsweise schon teilweises Vernichten der Mikroorganismen erfolgt.
Bei der Kavitation implodieren Blasen, wobei Energie in sehr hoher Dichte frei wird.
Es kommt örtlich in sehr kleinen Blasen zu extrem hohen Temperaturen und Drücken, welche zu einer Desintegration der Zellen und/oder zu einer Denaturierung der Enzyme führen. Dabei wird der pathogene Organismus direkt vernichtet oder der Schutzraum des Organismus wird zerstört, worauf der eigentliche Erreger wieder sensitiv gegenüber üblichen Desinfektionsmitteln wird.
In der Kombination der Verringerung des saugseitigen Druckes mit der strömungstechnischen Druckabsenkung in der Vorrichtung entsteht ein Unterdruck, der eine weitere physische Belastung für die Organismen darstellt und zur Destruktion führt. Dabei ist hervorzuheben, daß im gesamten Flüssigkeitsvolumen Unterdruck anliegt.
Darüber hinaus wird durch die Ausgestaltung des Kavitationsgenerators die Erzeugung von Druck- und Stoßimpulsen realisiert, welche Ultraschallschwingungen und partiellen Unterdruck erzeugen.
Eine zusätzliche Erzeugung von und Behandlung mit Ultraschallschwingungen wird durch die Kavitation selbst erzeugt.
Die Behandlung der Flüssigkeit mittels systemeigenen Ultraschallschwingungen stellt einen zweiten, wenn auch gleichzeitig mit dem Aufschließen der Mikroorganismen ablaufenden Verfahrensschritt dar.
Ein dritter Verfahrensschritt, welcher optional zu vollziehen ist, besteht in einer weiteren Behandlung des Wassers mittels vor allem chemischen Maßnahmen zur Desinfektion.
Dieser lässt sich ideal realisieren, da sowohl gasförmige als auch flüssige Einträge maschinentechnisch leicht vorgenommen werden können und der Kavitationsgenerator auf Grund seiner Bauart als Hochleistungsmischer arbeitet, wodurch sich eine hohe Reaktionskinetik im Sinne der Desinfektion ergibt.
Vorteilhafterweise sind prinzipiell drei Anwendungsmöglichkeiten für den Kavitationsgenerator im Bereich der Desinfektion von Wasser realisierbar:
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung dieses Verfahrens zur Abtötung von Mikroorganismen im Kaltwasserbereich als preiswerte Alternative zu Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem bisherigen stand der Technik, die im Kostenvergleich zu anderen Verfahren auch einen vorbeugenden Einsatz erlaubt.
Einsatz zur Abtötung von Mikroorganismen im Warmwasser, wobei der erfindungsgemäße Kavitationsgenerator auch als Zusatzgerät eingesetzt wird, damit bereits bestehende, aber weitestgehend unwirksame Desinfektionsverfahren wirksam gemacht werden.
Einsatz bei der Zerstörung von partikulärer Matrix als Schutzraum für Mikroorganismen, wobei der erfindungsgemäße Kavitationsgenerator eine preiswerte Alternative zu aufwendigen Aufbereitungsanlagen für Eigenwasseranlagen darstellt.
Nachfolgend sollen beispielhaft Vorrichtungen beschrieben werden, mittels welchen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
1 zeigt einen Kavitationsgenerator, welcher sich durch nachfolgend aufgeführte maschinentechnische Prinzipien auszeichnet
Der Kavitationsgenerator besteht aus einem konusförmigen Rotor 4 und Stator 5, zwischen welchen ein sich von der Eintrittsöffnung 1 zur Austrittsöffnung 2 verkleinernder Ringspalt 7 angeordnet ist.
Der Rotor 4 ist auf einer in einem Lagergehäuse angeordneten Welle 6 angeordnet.
Auf den Arbeitsflächen von Rotor 4 und Stator 5 ist die Beanspruchungen der Organismen erzeugende Profilierung vorgesehen.
Die Eintrittsöffnung 1 und die Austrittsöffnung 2 sind tangential am Rotor 4 angeordnet.
Unterschiedliche Profilierungen der Rotor- und Stator-Arbeitsflächen ermöglichen dabei eine Beeinflussung gemeinsam mit der Gestaltung der Abrisskanten die Wirkung des Generators.
Diese Profilierungen sind vorzugsweise Längsnuten 8 im Rotor und Längsnuten 9 im Stator, welche zusätzlich als Schlag- und Prallkanten dienen.
Die Anzahl, die Form und die Tiefe der Längsnuten 8 und 9 ist vorteilhafterweise dabei so zu wählen, daß Druckimpulse mit einer Schwingfrequenz im Bereich von 1–100 kHz entstehen.
Diese Vorrichtung ist einsetzbar bis zu einem Durchsatz von 10000 1/h.
In einer besonderen Ausgestaltung der Profilierungen werden diese Quernuten angeordnet, es ist aber auch eine Kombination von Längs- und Quernuten möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand der beispielhaften Vorrichtung erläutert werden.
Dabei wird der Vorrichtung über einen Zufluss 1 das zu behandelnde Wasser zugeführt.
Über einen weiteren Zufluss 3 kann zusätzliches Desinfektionsmittel zugegeben werden.
Das zu behandelnde Wasser durchströmt nachfolgend den eigentlichen Behandlungsraum, welcher aus einem auf einer Welle 6 angeordneten Rotor 4 und dem Stator 5 gebildet wird. Dabei sind der Rotor 4 und der Stator 5 wiederum mit Schlag- und Prallkanten, vorteilhafterweise gebildet aus Längsnuten 8 und 9, ausgestaltet.
Austrittsseitig ist an der Vorrichtung ein Abfluss 5 angeordnet.
2 zeigt einen Kavitationsgenerator nach dem Prinzip einer Venturidüse, aber ähnlicher prinzipieller Gestaltung.
Mittels dieses Generators wird eine extreme Beschleunigung des Flüssigkeitsstromes dadurch erzeugt, daß in oder nach dem engsten Querschnitt der Düse eine schraubenförmige Profilierung 3 angeordnet ist.
Diese Profilierung 3 versetzt den Flüssigkeitsstrom in eine radiale rotierende Bewegung entlang der sich düsenförmig erweiternden Wandung 4, wobei diese Wandung 4 in ihrem weiteren Verlauf Vertiefungen 5 in axialer Richtung aufweist, an welchen der Flüssigkeitsstrom mit hoher Geschwindigkeit vorbeigeführt wird.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei an der engsten Stelle der Düse und den axialen Profilen Unterdruck erzeugt.
Desweiteren wird in der Düse und in den Profilen eine Kavitation durch die hohen Frequenzen des Druckwechsel erzeugt und es werden hohe Scher- und Stosskräfte an den Kanten der Profile und im engsten Querschnitt der Düse sowie hohe Schwingungsfrequenzen der Druckwechselbeanspruchung beim Vorbeiströmen der Flüssigkeit an den axialen Profilen realisiert.
Diese beiden näher beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen von Kavitationsgeneratoren stellen lediglich modellhafte Ausführungen von Kavitationsgeneratoren dar, sind jedoch nicht die einzigen konstruktiven Möglichkeiten der Ausführung solcher Kavitationsgeneratoren zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims

Verfahren zur Inaktivierung von Mikroorganismen unter Verwendung eines Kavitationsgenerators, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohes Kavitationsenergiepotenzial in die Flüssigkeit eingetragen wird und eine Behandlung der Flüssigkeit mittels systemeigenen Ultraschallschwingungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Verfahrensschritt eine weitere Behandlung des Wassers mittels chemischen Maßnahmen zur Desinfektion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingetragene Kavitationsenergie die Mikroorganismen gleichzeitig beansprucht mit Unterdruck, Kavitation, Temperaturen, Drücken, Quetschung, Reibung sowie Prall- und Scherwirkung und systemeigenen Ultraschall und dabei diese Mikroorganismen aufgeschlossen beziehungsweise schon teilweises vernichtet, die Zellen desintegriert und die Enzyme denaturiert werden.
Vorrichtung zur Inaktivierung von Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Rotor-Stator-Prinzip aufgebauter Kavitationsgenerator an den sich gegenüberliegenden Arbeitsflächen des Rotors und des Stators mit unterschiedliche Profilierungen, Abrisskanten sowie Längsnuten ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl, die Form und die Tiefe der Nuten in den Arbeitsflächen des Rotors und des Stators so gewählt sind, daß Druckimpulse mit einer Schwingfrequenz im Bereich von 1–100 kHz entstehen.