Projekt 24003/01

Umweltschonende und kosteneffiziente Wasserentkeimung in Industriebetrieben durch kontrollierte hydrodynamische Kavitation (Kavitationsentkeimer)

Projektträger

CRENANO GmbH
Am Klopferspitz 19 a
82152 Martinsried / München
Telefon: 089-700760283

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die kostengünstige und technisch einfache Sterilisation von Wasser ist ein gegenwärtig nur unzureichend gelöstes Problem. Die Entwicklung von neuartigen Methoden der Wasserentkeimung stellt daher einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Versorgung von Bevölkerung 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 erfüllen konnte. Im Rahmen des Verbundvorhabens sollte gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der Technischen Universität München (TUM) die Anwendung dieser Methode zur Wasserentkeimung systematisch untersucht und Kavitationsentkeimer zur Wasseraufbereitung optimiert werden.


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 Scherkräfte dazu ausnutzen, Mikroorganismen bei geringen Drücken gezielt zu zerstören. 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. Abschließend sollte neben einer ersten Kostenabschätzung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basierend auf den bis dahin erarbeiteten Daten auch eine ökologische Bilanzierung in Abgrenzung zum Stand der Technik vorgenommen werden.


Ergebnisse und Diskussion

AP 1: Reaktionstechnische Untersuchungen zur Keimzahlreduktion
Zielsetzung war die experimentelle Identifikation des Zusammenhangs zwischen Betriebsgrößen (Volumenstrom, Druckverlust, Temperatur ...), Geometrie des Kavitationsentkeimers, Stoffgrößen (Viskosität, Dichte, Gasgehalt, ...) und der Keimzahlreduktion unter definierten Bedingungen. Für die Untersuchun-gen wurden unterschiedliche Keimzahlen an Escherichia coli in wässrigen Pufferlösungen 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.
AP 2: Optimierung von Kavitationsentkeimern
In 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 ähnlichem Energieeintrag anderen Methoden zur Erzeugung von Kavitationsblasen, wie z. B. Ultraschall, an Effizienz überlegen ist. Nach Ermittlung effizienter geometrischer Anordnungen von Prallflächen, Abrisskanten und Strömungsquerschnitten im Kavitationsentkeimer mit Rhodamin B wurde die Wirkung der erzeugten Kavitation mit Feststoffpartikeln untersucht. Hierzu wurden Kieselsäureaggregate und -agglomerate der Ausgangsgröße von 200 µm bis zu 600 µm in Wasser dispergiert und durch ausgewählte Kavitationsentkeimer bei einer Kavitationszahl Cv deutlich unter 1,0 gefördert. Bereits nach einer Passage dieser starren Partikel durch den Kavitationsentkeimer wurde eine monodisperse Kieselsäurepartikeldispersion von durchschnittlich 220 nm Partikelgröße erreicht.
AP 3: Auslegung von Kavitationsentkeimern: Datenanalyse
Basierend auf den reaktionstechnischen Untersuchungen wurden die funktionellen Zusammenhänge zwischen Betriebsgrößen und Keimzahlreduktion ermittelt. Nach Durchführung 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 Prozesswässern identifiziert werden. Aus neusten Ergebnissen der medizinischen Ultraschallforschung ist jedoch eine kavitationsinduzierte vorübergehende Zellperforation bekannt. Daher wurde erstmalig untersucht, ob dieser Effekt einer kavitationsinduzierten vorübergehenden Zellperforation für die Entkeimung nutzbar gemacht werden könnte. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass bei Kombination von Chlordioxid und Kavitationsentkeimer entweder eine drastische Reduktion der Chlordioxid-menge zur Erzielung einer gewünschten Keimzahlreduktion möglich ist oder weitaus höhere Keimzahlreduktionen bei gleicher Chlordioxidmenge mit dem Kavitationsentkeimer erreicht werden können.
AP 4: Dimensionierung eines Kavitationsentkeimers zur Prozesswasseraufbereitung
Die Daten zur Abtötungseffizienz 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 ausgewählte Kavitationsentkeimer geometrisch ähnlich vergrößert werden. Eine Dosierung von 0,4 mg/L ClO2 ist nach den bisherigen Experimenten ausreichend, um die gewünschte Keimzahlreduktion von bis zu 4 Zehnerpotenzen nach einer Passage durch den Kavitationsentkeimer gefolgt von einer Reaktionszeit von 5 Minuten im nachfolgenden Rohrnetz zu erreichen.
AP 5: Ökonomische/ökologische Bilanzierung in Abgrenzung zum Stand der Technik
Die Analyse der Investitions- und Betriebskosten zeigt für den beschriebenen Anwendungsfall höhere Kosten von 0,65 €/m3 beim Einsatz eines Kavitationsentkeimers in Kombination mit ClO2-Dosierung im Vergleich zur bestehenden Prozesswasserentkeimungsanlage mit UV und nachfolgender Cl2-Dosierung. Bezüglich der ökologischen Bilanz lassen sich jedoch bereits klare Vorteile des Kombinationsverfahrens Kavitationsentkeimer mit ClO2-Dosierung aufzeigen: Über 96 % der absoluten Chlormenge können bei dem oben beschriebenen Anwendungsfall im Vergleich zum Stand der Technik eingespart werden, um dieselbe Keimzahlreduktion zu erreichen


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Publikation der Ergebnisse in Fachzeitschriften ist nach der Patentanmeldung vorgesehen.


Fazit

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 Prozesswässern identifiziert werden. Erst die Kombination von geeigneten Kavitationsentkeimern und Desinfektionsmittel (hier beispielsweise ClO2) ermöglicht eine effiziente Keimzahlreduktion. Technologisch besteht noch Optimierungsbedarf, um ökonomisch konkurrenzfähig zu werden.