Biofilme in Kühlkreisläufen schädigen die Werkstoffe, verringern die Energieeffizienz und gefährden Hygiene und Betriebssicherheit. Ein wirtschaftlicher und zugleich schonender Weg, um Biofilme nachhaltig zu eliminieren ist die Nutzung von Biotensiden, die mithilfe der VWS-Mol-Katalysatortechnologie erzeugt werden.
Die Vermeidung und Bekämpfung von Biofilmen (Fouling) in wasserführenden Systemen ist eine grundlegende Aufgabe in der Getränke- und Nahrungsmittelherstellung. Eine geeignete Werkstoffauswahl kann unerwünschte mikrobiologische Vorgänge temporär zurückdrängen, nicht jedoch vollständig eliminieren. Sogenannte Eisenoxidierer im Wasser greifen die Passivschicht der Materialien – auch auf Edelstahloberflächen – so an, dass sich anschließend ein Biofilm darauf ansiedeln kann, der ein Nährboden für Bakterien und Legionellen ist. Darüber hinaus begünstigen Biofilme die mikrobiell induzierte Korrosion und beeinträchtigen Wärmeübergänge viermal stärker als mineralische Ablagerungen gleicher Dicke (Scaling). Zugleich steigt der Energieaufwand für den Transport von Kühl- und Produktwasser erheblich, denn Ablagerungen in Kühlkreisläufen verringern die Leitungsdurchmesser. Damit ist eine höhere Pumpleistung erforderlich, um die gleiche Menge Kühlwasser zu transportieren.
Konventionelle Biozide lösen biologische Strukturen zwar auf, allerdings greifen sie durch oxidative Reaktionen auch die Passivschicht der Werkstoffe an. Damit verbessern sich die Bedingungen für eine erneute mikrobiologische Besiedlung mit jedem Reinigungsvorgang. Zudem ist der Einsatz herkömmlicher Dosier- chemikalien kostenintensiv und erfordert ein hohes Maß an Fachwissen und Erfahrung.
Biotenside gegen Biofilme
Eine Alternative sind die chemiearmen bzw. chemiefreien VWS-Mol-Verfahren von Berkefeld. Bei diesen Technologien ziehen Vollmetallkatalysatoren die freien Keime im Wasser – etwa Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze – durch elektrostatische Aufladung an. An der Katalysatoroberfläche werden diese Keime anschließend nicht nur wirksam abgetötet, sondern chemisch umgewandelt. Aus den giftigen Phospholipid-Verbindungen (Endotoxine) der Keimhüllen entstehen ungefährliche Stoffe wie Phosphat, Glyzerin und gesättigte Fettsäuren, die als so genannte Biotenside wirken: Sie werden vom Biofilm als arteigene Spezies erkannt, können ihn dadurch problemlos durchdringen und brechen seine Wasserstoffbrückenbindungen zur Werkstoffoberfläche auf. Damit fällt der Biofilm im gesamten System restlos ab. Er wird selektiv direkt an der Phasengrenze zum Werkstoff abgelöst – ohne Schädigung der Materialien. Zusätzlich werden die gelösten Biofilmfragmente durch die Biotenside soweit bekämpft, dass sie kein mikrobiologisches Risiko für Mensch oder Umwelt darstellen. Das behandelte Wasser erfüllt die Einleitbedingungen des GL2-Leuchtbakterientests – ist also nicht toxisch.
Die Verunreinigungen werden anschließend durch Berkefeld Filtersysteme effizient abgetrennt. Das VWS-Mol-Verfahren wirkt sehr effektiv, denn die katalytische Reaktion mit Biotensidbildung setzt ein, sobald sich freie Keime im Wasser befinden. Die Konzentration der Biotenside liegt in üblichen technischen Systemen mit weniger als 1 ng/l unterhalb der Nachweisgrenzen.
Zwei erprobte Technologien
Für die verschiedenen Anwendungen im Getränkebereich stehen zwei erprobte Technologien zur Verfügung.
Beim VWS-Mol-Clean-Verfahren wird die Reaktion an der Oberfläche des Vollmetallkatalysators durch die Zugabe von geringen Mengen Molaktiv E30 in Gang gesetzt, einer nichttoxischen und nicht-korrosiven 30%igen H2O2-Lösung. Im Vergleich zu herkömmlichen Desinfektionsprozessen minimiert VWS Mol Clean den Einsatz von Bioziden. Das Verfahren bietet sich besonders zur Beseitigung von bestehenden Biofilmen, beispielsweise von Algenablagerungen oder Schleimbelägen, an. VWS Mol Lik hingegen hat sich bei der nachhaltigen Reinigung und permanent vorbeugenden Bekämpfung von Biofilmen bewährt. Die Technologie kommt vollständig ohne die Zugabe von Chemikalien aus, denn hier wird die Biotensidbildung durch Licht einer bestimmten Wellenlänge ausgelöst.
Bei Kühlkreisläufen in der Getränkeindustrie muss zwischen der Behandlung der Produkt- und der Kühlwasserseite unterschieden werden. Eine produktseitige Biofilmeliminierung ist nur temporär bei Abwesenheit des Produkts und unter Nutzung eines separaten Spülkreislaufes möglich. Auf der Kühlwasserseite sind abgelöste Biofilmfragmente nicht zwingend störend. Daher ist die Biofilmeliminierung hier permanent möglich, sofern keine Giftstoffe eingesetzt oder gebildet werden. Dies ist beim Einsatz katalytisch erzeugter Biotenside der Fall.
Schonende und schnelle Reinigung
Seit 2009 setzt DSM in Sisseln die VWS-Mol-Clean-Technologie in einem komplexen, das gesamte Werk umfassenden Kühlsystem ein. Der Hersteller von Vitaminen, Carotinoiden und Feinchemikalien beliefert u. a. die Lebensmittel-, Getränke- und Pharmaindustrie. Am Standort Sisseln beträgt der tägliche Kühlwasservolumenstrom aus dem Rhein im Sommer bis zu 150 000 m3 pro Tag. Nach der Vorbehandlung strömt das Wasser in einen Wasserturm, der ein Volumen von ca. 1000 m3 aufnimmt. Das Volumen des folgenden Rohrleitungs- und Wärmetauschernetz beträgt 1300 m3. Die Aufgabenstellung bestand darin, Wärmetauscheroberflächen frei von Fouling und Scaling zu halten. Zuvor wurden einige Kondensatoren inspiziert. Hierbei wurde Fouling festgestellt. Ein Kondensator wurde gereinigt; die übrigen blieben ungereinigt.
Im Mai 2009 wurden zwei VWS-Mol-Clean- Katalysatorboxen im Wasserturm installiert. Über eine Dosierleitung und über eine Zeitschaltuhr gesteuert, wird Molaktiv E30 aus dem Keller des Wasserturmes direkt zu den Katalysatoren gepumpt. Mit diesem Wasser werden die Kondensatoren der Wärmetauscher und auch die Dampfkesselanlagen mit Speisewasser versorgt. Unmittelbar nach der Dosierung beträgt die Konzentration von Molaktiv E30 in der Fallleitung des Wasserturmes 5 ppm. Nach Inbetriebnahme der Kühlwasserbehandlung wurden am Kondensator mit 0 bis 2 ppm deutlich geringere Konzentrationen gemessen. Das heißt, in den Rohrleitungen liefen durch Fouling bedingte Zersetzungsreaktionen mit Biotensidbildung ab.
Mit zunehmender Einsatzdauer – ab September 2009 – entsprach die Molaktiv-E30-Konzentration am Kondensator in etwa der in der Fallleitung. Dies ist ein sicherer Indikator dafür, dass die Rohrleitungen frei sind von Fouling. Beim Öffnen der Kondensatoren Mitte Oktober 2009 wurden auch keine Biofilmspuren festgestellt; unabhängig davon, ob die Kondensatoren zuvor gereinigt wurden oder nicht. Aufgrund der nachhaltigen Wirkung konnte die Dosierung von Molaktiv E30 schrittweise reduziert werden: anfänglich zweimal täglich, dann einmal täglich und nunmehr dreimal wöchentlich 30 kg.
Durch die nachhaltige Eliminierung von Fouling und Scaling entfallen die zeitaufwändigen Reinigungsarbeiten an den Kondensatoren. Da die Rohrleitungen frei von Ablagerungen sind, verminderte sich der Kühlwasserbedarf pro Tonne erzeugtem Produkt um ca. 5 %. Bei einem Durchsatz von 3000m3/h spart DSM dabei jährlich rund 500 000 kWh.
Halle 6.1, Stand B98
prozesstechnik-online.de/dei0612441
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