Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die kosteng\u00fcnstige und technisch einfache Sterilisation von Wasser ist ein gegenw\u00e4rtig nur unzureichend gel\u00f6stes Problem. Die Entwicklung von neuartigen Methoden der Wasserentkeimung stellt daher einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Versorgung von Bev\u00f6lkerung und Industrie dar. CRENANO hatte mit der von ihr entwickelten Technik zur effizienten Erzeugung von hydrodynamischer Kavitation (EP2004\/009856) eine Methode entwickelt, die diese Anforderungen prinzipiell erf\u00fcllen konnte. Im Rahmen des Verbundvorhabens sollte gemeinsam mit dem Lehrstuhl f\u00fcr Bioverfahrenstechnik der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM) die Anwendung dieser Methode zur Wasserentkeimung systematisch untersucht und Kavitationsentkeimer zur Wasseraufbereitung optimiert werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie kontrollierte hydrodynamische Kavitation sollte die lokal bei der Implosion von im Wasser kurzfristig gebildeten Gasblasen entstehenden Druckgradienten sowie die in den erzeugten Turbulenzen entstehenden Scherkr\u00e4fte dazu ausnutzen, Mikroorganismen bei geringen Dr\u00fccken gezielt zu zerst\u00f6ren. Gegenstand der ersten Phase des Verbundprojektes war die Optimierung und reaktionstechnische Charak-terisierung der kontrollierten hydrodynamischen Kavitation zur nachhaltigen und dezentralen Wasserentkeimung. Mit Hilfe von einfachen Modellreaktionen sollte die Geometrie des Kavitationsentkeimers experimentell optimiert werden. Basierend auf reaktionstechnischen Untersuchungen zur Keimzahlreduktion unter definierten Bedingungen sollten erste halb-empirische Auslegungsgrundlagen zur Dimensionierung von Kavitationsentkeimern erarbeitet werden. Abschlie\u00dfend sollte neben einer ersten Kostenabsch\u00e4tzung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basierend auf den bis dahin erarbeiteten Daten auch eine \u00f6kologische Bilanzierung in Abgrenzung zum Stand der Technik vorgenommen werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
AP 1: Reaktionstechnische Untersuchungen zur Keimzahlreduktion
\nZielsetzung war die experimentelle Identifikation des Zusammenhangs zwischen Betriebsgr\u00f6\u00dfen (Volumenstrom, Druckverlust, Temperatur …), Geometrie des Kavitationsentkeimers, Stoffgr\u00f6\u00dfen (Viskosit\u00e4t, Dichte, Gasgehalt, …) und der Keimzahlreduktion unter definierten Bedingungen. F\u00fcr die Untersuchun-gen wurden unterschiedliche Keimzahlen an Escherichia coli in w\u00e4ssrigen Pufferl\u00f6sungen eingesetzt. In einer bei der TUM neu installierten Versuchsanlage zur reaktionstechnischen Untersuchung wurden insgesamt 20 unterschiedliche Geometrien von Kavitationsentkeimern untersucht. Der Betrieb aller Varianten erfolgte dabei so, dass Kavitationszahlen Cv von 0,1 bis 0,4 realisiert wurden.
\nAP 2: Optimierung von Kavitationsentkeimern
\nIn den ersten Arbeitsschritten zur empirischen Modifikation der Geometrie der modulartig aufgebauten Kavitationsentkeimer-Prototypen wurde die Effizienz der Kavitationserzeugung mittels des Abbaus des Farbstoffs Rhodamin B beurteilt. Die Versuche zeigten, dass die hydrodynamische Kavitation bei \u00e4hnlichem Energieeintrag anderen Methoden zur Erzeugung von Kavitationsblasen, wie z. B. Ultraschall, an Effizienz \u00fcberlegen ist. Nach Ermittlung effizienter geometrischer Anordnungen von Prallfl\u00e4chen, Abrisskanten und Str\u00f6mungsquerschnitten im Kavitationsentkeimer mit Rhodamin B wurde die Wirkung der erzeugten Kavitation mit Feststoffpartikeln untersucht. Hierzu wurden Kiesels\u00e4ureaggregate und -agglomerate der Ausgangsgr\u00f6\u00dfe von 200 \u00b5m bis zu 600 \u00b5m in Wasser dispergiert und durch ausgew\u00e4hlte Kavitationsentkeimer bei einer Kavitationszahl Cv deutlich unter 1,0 gef\u00f6rdert. Bereits nach einer Passage dieser starren Partikel durch den Kavitationsentkeimer wurde eine monodisperse Kiesels\u00e4urepartikeldispersion von durchschnittlich 220 nm Partikelgr\u00f6\u00dfe erreicht.
\nAP 3: Auslegung von Kavitationsentkeimern: Datenanalyse
\nBasierend auf den reaktionstechnischen Untersuchungen wurden die funktionellen Zusammenh\u00e4nge zwischen Betriebsgr\u00f6\u00dfen und Keimzahlreduktion ermittelt. Nach Durchf\u00fchrung und Analyse von umfangreichen experimentellen Untersuchungen (> 250 Einzelexperimenten) mit geometrisch unterschiedlich gestalteten Kavitationsentkeimern konnte jedoch in keinem Fall eine wirtschaftlich nutzbare Konfiguration zur Entkeimung von Prozessw\u00e4ssern identifiziert werden. Aus neusten Ergebnissen der medizinischen Ultraschallforschung ist jedoch eine kavitationsinduzierte vor\u00fcbergehende Zellperforation bekannt. Daher wurde erstmalig untersucht, ob dieser Effekt einer kavitationsinduzierten vor\u00fcbergehenden Zellperforation f\u00fcr die Entkeimung nutzbar gemacht werden k\u00f6nnte. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass bei Kombination von Chlordioxid und Kavitationsentkeimer entweder eine drastische Reduktion der Chlordioxid-menge zur Erzielung einer gew\u00fcnschten Keimzahlreduktion m\u00f6glich ist oder weitaus h\u00f6here Keimzahlreduktionen bei gleicher Chlordioxidmenge mit dem Kavitationsentkeimer erreicht werden k\u00f6nnen.
\nAP 4: Dimensionierung eines Kavitationsentkeimers zur Prozesswasseraufbereitung
\nDie Daten zur Abt\u00f6tungseffizienz der unterschiedlichen Geometrien wurden zur modellhaften Auslegung eines ersten technischen Kavitationsentkeimers zur Prozesswasseraufbereitung benutzt. Hierzu wurde der Prozesswasserkreislauf in einer Produktionsanlage eines Chemieunternehmens herangezogen. Die Verkeimung des Prozesswassers am Ausgang des Produktionskreislaufs liegt dabei bei bis zu 104 Keime\/ml. Nach UV-Entkeimung und Chlordosierung wird bei der bestehenden industriellen Aufbereitungsanlage eine Reduktion der Keime auf unter 10 Keimen\/ml erreicht. Um bei dem vorgegebenen Prozesswasserstrom die erforderliche Kavitationszahl (Cv ? 0,15) zu erreichen, muss der ausgew\u00e4hlte Kavitationsentkeimer geometrisch \u00e4hnlich vergr\u00f6\u00dfert werden. Eine Dosierung von 0,4 mg\/L ClO2 ist nach den bisherigen Experimenten ausreichend, um die gew\u00fcnschte Keimzahlreduktion von bis zu 4 Zehnerpotenzen nach einer Passage durch den Kavitationsentkeimer gefolgt von einer Reaktionszeit von 5 Minuten im nachfolgenden Rohrnetz zu erreichen.
\nAP 5: \u00d6konomische\/\u00f6kologische Bilanzierung in Abgrenzung zum Stand der Technik
\nDie Analyse der Investitions- und Betriebskosten zeigt f\u00fcr den beschriebenen Anwendungsfall h\u00f6here Kosten von 0,65 \u0080\/m3 beim Einsatz eines Kavitationsentkeimers in Kombination mit ClO2-Dosierung im Vergleich zur bestehenden Prozesswasserentkeimungsanlage mit UV und nachfolgender Cl2-Dosierung. Bez\u00fcglich der \u00f6kologischen Bilanz lassen sich jedoch bereits klare Vorteile des Kombinationsverfahrens Kavitationsentkeimer mit ClO2-Dosierung aufzeigen: \u00dcber 96 % der absoluten Chlormenge k\u00f6nnen bei dem oben beschriebenen Anwendungsfall im Vergleich zum Stand der Technik eingespart werden, um dieselbe Keimzahlreduktion zu erreichen<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Publikation der Ergebnisse in Fachzeitschriften ist nach der Patentanmeldung vorgesehen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Obwohl sich mit entsprechend gestalteten Kavitationsentkeimern suspendierte starre Partikel alleine durch hydrodynamische Kavitation effizient zerkleinern lassen, konnte trotz umfangreicher reaktionstechnischer Untersuchungen in einer eigens entwickelten halbtechnischen Versuchsanlage in keinem Fall eine wirtschaftlich nutzbare Konfiguration zur Entkeimung von Prozessw\u00e4ssern identifiziert werden. Erst die Kombination von geeigneten Kavitationsentkeimern und Desinfektionsmittel (hier beispielsweise ClO2) erm\u00f6glicht eine effiziente Keimzahlreduktion. Technologisch besteht noch Optimierungsbedarf, um \u00f6konomisch konkurrenzf\u00e4hig zu werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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