Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Unter Biofouling versteht man die unerw\u00fcnschte Ablagerung von Mikroorganismen auf Oberfl\u00e4chen in technischen Systemen. Dabei entstehen mikrobielle Bel\u00e4ge, die ihre Unterlage abdecken und angreifen und das System biologisch kontaminieren. Die auf diese Art und Weise entstandenen Sch\u00e4den sind j\u00e4hrlich auf einige Milliarden DM einzusch\u00e4tzen. Au\u00dferdem werden Biofilme heute nur mit Bioziden bek\u00e4mpft, die die Umwelt zus\u00e4tzlich belasten. Das Ziel des Projektes ist es, einen kleinen und robusten Sensors zu entwickeln, der in technischen Wassersystemen integriert werden kann. Mit dem Sensor sollen Bildung und Entwicklung von Biofilmen an ausgew\u00e4hlten, f\u00fcr das System repr\u00e4sentativen Stellen detektierbar sein. Der Sensor soll der Grundbaustein f\u00fcr ein Monitoring-System bilden, mit dem das Biofilm-Wachstum in situ, kontinuierlich und in Echtzeit zu verfolgen ist. Sp\u00e4tere Arbeiten sollen sich auf die in-situ-Identifizierung der Natur der Bel\u00e4ge konzentrieren. Mit dem Sensor l\u00e4\u00dft sich die Anwendung von Bioziden optimieren, wodurch sich ein geringerer Einsatz dieser Stoffe und damit verbundenen, eine geringere Umweltbelastung ergibt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine Zusammenstellung der in Frage kommenden Me\u00dfmethoden wurde als erstes vorgenommen werden. Dabei wurden verschiedene optische Eigenschaften des Biofilms wie Streuungseigenschaften, Brechzahl, Fluoreszenz und Farbe mit Hilfe der herk\u00f6mmlichen Labormethoden, untersucht. Im zweiten Arbeitsabschnitt sollte ein Ger\u00e4t entwickelt werden, mit dem die Me\u00dfsignale verschiedener Me\u00dfmethoden ausgewertet werden k\u00f6nnen.
\nF\u00fcr die ausgew\u00e4hlte Me\u00dfmethode wurde ein mathematisches Modell erarbeitet. Die Korrelation zwischen theoretischen Funktionen und experimentell aufgenommenen Me\u00dfkurven wurde ermittelt. Aufgrund dieser Korrelation wurden Kallibrierungsalgorithmen f\u00fcr den Sensor erarbeitet, die eine Quantifizierung der Me\u00dfergebnisse erlauben.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das entwickelte Monitoringsystem besteht aus drei Hauptkomponenten:
\nSensor bzw. Sonde sowie Auswertungssystem und Steuersoftware. Die Sonde ist je nach erwartete Biofilmdicke unterschiedlich konfigurierbar. Die Software erlaubt die Messung des Bifilm-Wachstums flexibel zu verfolgen, indem man unterschiedliche Streubereiche in gemessenen Biofilmen erfa\u00dft. Das Signal stammt daher nicht nur von biologischen Partikeln gemessen, sondern auch von anderen organischen und anorganischen Ablagerungen, die in der Biofilmmatrix enthalten sind.
\nEin detailliertes mathematisches Modell wurde erarbeitet. Nach diesem mathematischen Modell h\u00e4ngt das gemessene Streulichtsigal von der Biofilmdicke linear ab. Es wird angenommen, da\u00df Biofilmdicke und Partikelzahl im Biofilm linear korrelieren, was praktisch bedeutet, da\u00df die verschiedenen Phasen des Biofilm-Wachstums zu unterscheiden sind und quantitativ ausgemessen werden k\u00f6nnen. Mit einem Korrekturkoeffzienten wurden im mathematischen Model die Abweichungen der realen Biofilmparikel von einer idealen Partikelform und -gr\u00f6\u00dfe ber\u00fccksichtigt
\nMit dem realisierten Prototyp des Monitoringsystems wurden Messungen in einem Bioreaktor durchgef\u00fchrt. Der Bioreaktor besteht aus Silikonschl\u00e4uchen, die kontinuierlich von Wasser mit N\u00e4hrmedium durchflossen sind. Die Sonde wurde in einen der Schl\u00e4uche eingebaut. Mit dieser Versuchsanordnung wurde die Biofilmbildung auf der Me\u00dffl\u00e4che des Sensorkopfes gemessen . Die Biofilmbildung wurde w\u00e4hrend mehreren Tagen (in der Regel 12 bis 24) gemessen. Die exponentielle Phase sowie das Plateau der Biofilm-Bildung lie\u00dfen sich eindeutig erkennen. Die Biofilmdicke w\u00e4hrend dieser Zeit bewegte sich zwischen einigen \u00b5m bis zu 4-5 mm. Der Zeitpunkt der Reinigung des Bioreaktors wurde von Sensor detektiert. Man konnte auch das Ergebnis in Korrelation mit dem verbleibenden Biofilm bringen.
\nMit dem in diesem Projekt entwickelten Monitoringsystem ist es m\u00f6glich, den optimalen Zeitpunkt und die ausreichende Menge sowie den Erfolg bei Reinigungsma\u00dfnahmen eines industriellen Wassersystems zu bestimmen. Damit l\u00e4\u00dft sich der Einsatz von Reinigungsmitteln und Bioziden, die das Abwasser belasten, stark reduzieren. Durch die rechtzeitige Reinigung des Wassersystems werden die Bedingungen f\u00fcr das Auftreten mikrobiell induzierter Korrosion ung\u00fcnstiger und daraus folgende Sch\u00e4den verringert. Nach einer auf das jeweilige Wassersystem bezogenen Kalibrierung k\u00f6nnte das entwickelte Monitoringsystem im Langzeitbetrieb, in situ und on line zu Beobachtung der Biofilm-Entwicklung und als Warnsystem zur rechtzeitigen Erkennung einer unzul\u00e4ssigen Belastung eingesetzt werden.<\/p>\n
Die Empfindlichkeit des Systems ist im mittleren Me\u00dfbereich ausreichend.
\nUngen\u00fcgend empfindlich ist das System immer noch im unteren Me\u00dfbereich. Dies ist durch einen f\u00fcr die ausgew\u00e4hlten optischen Konfiguration unumg\u00e4nglichen toten Bereich bestimmt. Dieser Bereich begrenzt sich meistens auf die erste Schicht Mikroorganismen auf die Me\u00dffl\u00e4che. Sie betr\u00e4gt weniger als \u00b5m; solche Biofilme sind jedoch f\u00fcr technische Wassersysteme irrelevant und k\u00f6nnen ohne weiteres toleriert werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse des Forschungsprpojektes sind im Rahmen drei internationalen Veranstaltungen ver\u00f6ffentlicht worden.
\n1. 10th international Biodeterioration and Biodegradation Symposium,15.09.96; Hamburg – Fachvortrag
\n2. ASM Conference on Microbial Biofilms, 30.09.96; Snowbird Resort USA – Pr\u00e4sentation als Poster und Kurzvortrag im Methoden-Workshop
\n3. Internationale Konferenz Heat exchenge Fouling and Monitoring, 12-15.05.97 in Lucca , Italien<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurde ein kleiner und robuster faseroptischer Sensor entwickelt und erprobt, mit dem das Biofilm-Wachstum in Wassersystemen on line, direkt, in Echtzeit und zerst\u00f6rungsfrei verfolgt wird. Der Me\u00dfkopf wird in das Wassersystem so integriert, da\u00df die Me\u00dffl\u00e4che des Sensors mit der beobachteten Oberfl\u00e4che stufenlos abschlie\u00dft. Mit unterschiedlich konfigurierten Me\u00dfk\u00f6pfen wurden Biofilme verschiedener Dicke ausgemessen. Die Biofilmbildung in einem Testsystem wurde on line w\u00e4hrend mehrerer Tagen gemessen. Die exponentielle Wachstumsphase und das Erreichen eines Plateau sind in allen Testsystemen eindeutig detektiert worden. F\u00fcr die untersuchten Systeme ergeben sich daraus Biofilmdicken im Bereich von einigen Mikrometern bis in den Millimeter-Bereich. Die Wirksamkeit einer Reinigung des Systems konnten mit dem Sensor quantitativ erfa\u00dft werden. Eine solche direkte Erfolgskontrolle ist bislang in der Praxis noch nicht realisiert, sie ist aber f\u00fcr die Optimierung von Anti-Fouling-Ma\u00dfnahmen von grundlegender Bedeutung.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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