AiF-FV-Nummer 15411 N

Entwicklung und Erprobung eines sensitiven Verfahrens zur zeitnahen Erfassung der biologischen Aktivität in Kühlwasser- und Emulsionskreisläufen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.11.2007 bis 31.10.2009

Forschungsstellen

  • Betriebsforschungsinstitut VDEh-Institut für angewandte Forschung gGmbH
    Sohnstr. 65, 40237 Düsseldorf
    http://www.bfi.de

  • IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung gGmbH
    Moritzstr. 26, 45476 Mülheim an der Ruhr
    http://www.iww-online.de

Zusammenfassung

In der Automobil-, chemischen, stahlerzeugenden und metallverarbeitenden Industrie sind Kühlwasser- und Emulsionskreisläufe ein wichtiger Bestandteil des Gesamtproduktionsprozesses. Das Wachstum von Mikroorganismen in diesen Kreisläufen kann zu Störungen und kostenintensiven Produktionsausfällen führen. Die Folgen des Wachstums von Mikroorganismen sind beispielsweise Biofilmbildung auf Oberflächen, Geruchsbildung sowie Abnahme der Kühl-/Schmierwirkung verbunden mit einer Verschlechterung der Produktqualität. Die Überwachung der mikrobiologischen Aktivität in Kühlwasser- und Emulsionskreisläufen erfolgt üblicherweise durch den Nachweis von Mikroorganismen auf unselektiven Nährböden mittels so genannter Dip-Slide-Tests. Diese erfassen nicht alle vorhandenen Mikroorganismen. Zwischen Probenahme und Vorlage des Ergebnisses liegen bis zu 5 Tage, so dass eine zeitnahe Reaktion nicht möglich ist. Dem entsprechend erfolgt eine zeitverzögerte Bioziddosierung bzw. eine präventive Biozidüberdosierung. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Messverfahrens zur zeitnahen Bestimmung der biologischen Aktivität im Bereich Kühlwasser- und Emulsionskreisläufe durch Messung des Adenosintriphosphats (ATP)-Gehaltes in den Mikroorganismen. Im Arbeitsschritt (AS)1 erfolgten eine repräsentative Detailanalyse von 5 Kühlwässern und von 5 Emulsionen sowie eine Bestandsaufnahme an den entsprechenden betrieblichen Kreisläufen. Basierend auf den Ergebnissen wurde eine Übersicht über die Zusammensetzungen, die Inhaltsstoffe und die Schwankungsbreite der Zusammensetzung von Kühlwässern und Emulsionen erstellt. Hierbei wurden der Einsatz von Dip-Slide- Tests zur Kontrolle der biologischen Aktivität sowie die Verwendung der Biozide Chlor und Brom (Kühlwasser) sowie Formaldehyd abspaltender Verbindungen (Emulsionen) als gängige Praxis ermittelt. Im AS 2 wurden zur Überprüfung des Einflusses von Matrixbestandteilen der Kühlwässer und Emulsionen (Emulgatoren, Biozide u. a.) auf das Messverfahren Untersuchungen im Labormaßstab durchgeführt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Einflüsse sehr vielschichtig sind und somit Störeinflüsse für die zu untersuchenden Kühlwässer und Emulsionen stets individuell betrachtet werden müssen. Die Einführung eines Aktivitäts-Index zur Charakterisierung der mikrobiologischen Aktivität in Emulsions- und Kühlwasserkreisläufen, bestehend aus dem Quotienten aus ATP pro Zelle und Gesamtzellzahl, (AS 3) ermöglichte eine gute Wiedergabe der biologischen Belastung. Da die Gesamtzellzahl kein Routineparameter ist, wurde ein Belastungs- Index in Anlehnung an die bisher in der Praxis genutzten Schwellenwerte auf Dip-Slide-Basis erstellt. Dieser ermöglicht die Umstellung der bisher in der Praxis verwendeten Schwellenwerte auf das ATP-Messverfahren. Da jeder Kreislauf unterschiedliche Kreislaufparameter und Bakterienarten aufweist, ist jeweils eine separate Anpassung erforderlich. Im Rahmen von Laborversuchen im AS 4 wurde das neue Messverfahren mit 4 Kühlwässern sowie 3 Emulsionen anhand von nachgestellten Betriebszuständen erprobt. Bei den Kühlwässern wurde eine gute Übereinstimmung der berechneten biologischen Belastung auf Basis der ATP-Messungen mittels Hygiene-Überwachungssystem und Luminometer ermittelt. Die berechneten biologischen Belastungen bestätigten die gemessenen Trends aus den Veränderungen der Koloniezahl (HPC), Dip-Slide-Tests und Gesamtzellzahl. Die Anwendbarkeit der ATP-Messung in Emulsionen ist möglich und die Messwerte entsprechen den Trends der biologischen Belastung (Gesamtzellzahl, Koloniezahl, Dip-Slide). Je nach Emulsion können sowohl das Hygiene-Überwachungssystem als auch das Luminometer eingesetzt werden. Im AS 5 wurde die Probenvorbereitung des ATP-Messverfahrens in Zusammenarbeit mit Geräte- bzw. Chemikalienherstellern optimiert. Hierdurch konnte die Anzahl der „Störadditive“ verringert und die Wiederfindungsraten erhöht werden. Die betriebliche Demonstration zur Überprüfung der Laborergebnisse (AS 6) des neu entwickelten Messverfahrens erfolgte über einen Zeitraum von 9 Monaten an je einem ausgewählten Emulsions- und Kühlwasserkreislauf. Hierbei konnten bei unterschiedlichen Betriebszuständen die positiven Ergebnisse der Laborversuche bestätigt werden. Der im AS 7 erstellte Anforderungskatalog für die ATP-Messgerätehersteller berücksichtigt die Ergebnisse der Labor- und Betriebsversuche sowie die Bedürfnisse der industriellen Anwender. Diese sind u. a. eine einfache Handhabung des Messverfahrens, reproduzierbare Probevolumina und lagerstabile Reagenzien. Zur Umsetzung der Ergebnisse in die betriebliche Praxis und die Umstellung der Überwachung der Kreisläufe von Dip-Slides auf das neue ATP-Messverfahren wurden jeweils eine Applikationsstrategie für einen Emulsions- und Kühlwasserkreislauf (AS 8) erstellt. Es ist für jedes System eine separate Applikationserstellung aufgrund von unterschiedlichen Kühlwasser-/Emulsionsinhaltsstoffen, Bakterienarten und Kreislaufparametern erforderlich. Des Weiteren erfolgte aufbauend auf den Ergebnissen die Erstellung einer Kosten-Nutzen-Analyse, die für einen Emulsionskreislauf in einem metallverarbeitenden KMU ein Einsparpotential von 32 % der Betriebskosten ergab. Durch die Untersuchungen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnte die betriebliche Anwendbarkeit des ATP-Messverfahrens zur zeitnahen Überwachung der biologischen Aktivität in Kühlwasser- und Emulsionskreisläufen nachgewiesen werden. Mit der Applikationserstellung besteht für die Betriebe die Möglichkeit zur direkten Anwendung der Forschungsergebnisse in der betrieblichen Praxis. Die Ziele des Forschungsvorhabens wurde damit vollständig erreicht. Im Verlauf der umfangreichen Arbeiten haben sich Ansatzpunkte für eine mögliche Anwendung des neuen ATP-Messverfahrens in weiteren wasserbasierten Systemen wie Abschreckbädern in Härtereien und Schlichten in Gießereien sowie bei der Produktion wasserbasierter Lacke ergeben. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Einsatzgebiete und Anforderungen an die Funktionalität weisen die genannten wasserbasierten Systeme grundlegend andere chemische Zusammensetzungen als die im Forschungsvorhaben untersuchten Emulsionen und Kühlwässer auf.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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