Projekt 07075/01

Entwicklung eines optischen Sensors zur Erkennung von Biofouling in der Wasseraufbereitung

Projektträger

Gerhard-Mercator-Universit√§t Gesamthochschule DuisburgRheinisch-Westf√§lisches Institut f√ľr Wasserchemieund Wassertechnologie GmbH
Moritzstr. 26
45476 M√ľlheimZielsetzung und Anlass des Vorhabens Unter Biofouling versteht man die unerw√ľnschte Ablagerung von Mikroorganismen auf Oberfl√§chen in technischen Systemen. Dabei entstehen mikrobielle Bel√§ge, die ihre Unterlage abdecken und angreifen und das System biologisch kontaminieren. Die auf diese Art und Weise entstandenen Sch√§den sind j√§hrlich auf einige Milliarden DM einzusch√§tzen. Au√üerdem werden Biofilme heute nur mit Bioziden bek√§mpft, die die Umwelt zus√§tzlich 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√§hlten, f√ľr das System repr√§sentativen Stellen detektierbar sein. Der Sensor soll der Grundbaustein f√ľr ein Monitoring-System bilden, mit dem das Biofilm-Wachstum in situ, kontinuierlich und in Echtzeit zu verfolgen ist. Sp√§tere Arbeiten sollen sich auf die in-situ-Identifizierung der Natur der Bel√§ge konzentrieren. Mit dem Sensor l√§√üt sich die Anwendung von Bioziden optimieren, wodurch sich ein geringerer Einsatz dieser Stoffe und damit verbundenen, eine geringere Umweltbelastung ergibt. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine Zusammenstellung der in Frage kommenden Me√ümethoden wurde als erstes vorgenommen werden. Dabei wurden verschiedene optische Eigenschaften des Biofilms wie Streuungseigenschaften, Brechzahl, Fluoreszenz und Farbe mit Hilfe der herk√∂mmlichen Labormethoden, untersucht. Im zweiten Arbeitsabschnitt sollte ein Ger√§t entwickelt werden, mit dem die Me√üsignale verschiedener Me√ümethoden ausgewertet werden k√∂nnen. F√ľr die ausgew√§hlte Me√ümethode wurde ein mathematisches Modell erarbeitet. Die Korrelation zwischen theoretischen Funktionen und experimentell aufgenommenen Me√ükurven wurde ermittelt. Aufgrund dieser Korrelation wurden Kallibrierungsalgorithmen f√ľr den Sensor erarbeitet, die eine Quantifizierung der Me√üergebnisse erlauben. Ergebnisse und Diskussion Das entwickelte Monitoringsystem besteht aus drei Hauptkomponenten: Sensor 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√üt. Das Signal stammt daher nicht nur von biologischen Partikeln gemessen, sondern auch von anderen organischen und anorganischen Ablagerungen, die in der Biofilmmatrix enthalten sind. Ein detailliertes mathematisches Modell wurde erarbeitet. Nach diesem mathematischen Modell h√§ngt das gemessene Streulichtsigal von der Biofilmdicke linear ab. Es wird angenommen, da√ü Biofilmdicke und Partikelzahl im Biofilm linear korrelieren, was praktisch bedeutet, da√ü die verschiedenen Phasen des Biofilm-Wachstums zu unterscheiden sind und quantitativ ausgemessen werden k√∂nnen. Mit einem Korrekturkoeffzienten wurden im mathematischen Model die Abweichungen der realen Biofilmparikel von einer idealen Partikelform und -gr√∂√üe ber√ľcksichtigt Mit dem realisierten Prototyp des Monitoringsystems wurden Messungen in einem Bioreaktor durchgef√ľhrt. Der Bioreaktor besteht aus Silikonschl√§uchen, die kontinuierlich von Wasser mit N√§hrmedium durchflossen sind. Die Sonde wurde in einen der Schl√§uche eingebaut. Mit dieser Versuchsanordnung wurde die Biofilmbildung auf der Me√üfl√§che des Sensorkopfes gemessen . Die Biofilmbildung wurde w√§hrend mehreren Tagen (in der Regel 12 bis 24) gemessen. Die exponentielle Phase sowie das Plateau der Biofilm-Bildung lie√üen sich eindeutig erkennen. Die Biofilmdicke w√§hrend dieser Zeit bewegte sich zwischen einigen ¬Ķm 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. Mit dem in diesem Projekt entwickelten Monitoringsystem ist es m√∂glich, den optimalen Zeitpunkt und die ausreichende Menge sowie den Erfolg bei Reinigungsma√ünahmen eines industriellen Wassersystems zu bestimmen. Damit l√§√üt sich der Einsatz von Reinigungsmitteln und Bioziden, die das Abwasser belasten, stark reduzieren. Durch die rechtzeitige Reinigung des Wassersystems werden die Bedingungen f√ľr das Auftreten mikrobiell induzierter Korrosion ung√ľnstiger und daraus folgende Sch√§den verringert. Nach einer auf das jeweilige Wassersystem bezogenen Kalibrierung k√∂nnte das entwickelte Monitoringsystem im Langzeitbetrieb, in situ und on line zu Beobachtung der Biofilm-Entwicklung und als Warnsystem zur rechtzeitigen Erkennung einer unzul√§ssigen Belastung eingesetzt werden. Die Empfindlichkeit des Systems ist im mittleren Me√übereich ausreichend. Ungen√ľgend empfindlich ist das System immer noch im unteren Me√übereich. Dies ist durch einen f√ľr die ausgew√§hlten optischen Konfiguration unumg√§nglichen toten Bereich bestimmt. Dieser Bereich begrenzt sich meistens auf die erste Schicht Mikroorganismen auf die Me√üfl√§che. Sie betr√§gt weniger als ¬Ķm; solche Biofilme sind jedoch f√ľr technische Wassersysteme irrelevant und k√∂nnen ohne weiteres toleriert werden. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Die Ergebnisse des Forschungsprpojektes sind im Rahmen drei internationalen Veranstaltungen ver√∂ffentlicht worden. 1. 10th international Biodeterioration and Biodegradation Symposium,15.09.96; Hamburg - Fachvortrag 2. ASM Conference on Microbial Biofilms, 30.09.96; Snowbird Resort USA - Pr√§sentation als Poster und Kurzvortrag im Methoden-Workshop 3. Internationale Konferenz Heat exchenge Fouling and Monitoring, 12-15.05.97 in Lucca , Italien Fazit 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√∂rungsfrei verfolgt wird. Der Me√ükopf wird in das Wassersystem so integriert, da√ü die Me√üfl√§che des Sensors mit der beobachteten Oberfl√§che stufenlos abschlie√üt. Mit unterschiedlich konfigurierten Me√ük√∂pfen wurden Biofilme verschiedener Dicke ausgemessen. Die Biofilmbildung in einem Testsystem wurde on line w√§hrend mehrerer Tagen gemessen. Die exponentielle Wachstumsphase und das Erreichen eines Plateau sind in allen Testsystemen eindeutig detektiert worden. F√ľr 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√üt werden. Eine solche direkte Erfolgskontrolle ist bislang in der Praxis noch nicht realisiert, sie ist aber f√ľr die Optimierung von Anti-Fouling-Ma√ünahmen von grundlegender Bedeutung.

√úbersicht

Telefon

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Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Fördersumme

88.658,01 ‚ā¨

Förderzeitraum

01.08.1995 - 31.01.1997

Internet

theochem.uni-duisburg.de/AMB/flemming.html