Projekt 07075/01

Entwicklung eines optischen Sensors zur Erkennung von Biofouling in der Wasseraufbereitung

Projektdurchführung

Gerhard-Mercator-Universität Gesamthochschule DuisburgRheinisch-Westfälisches Institut für Wasserchemieund Wassertechnologie GmbH
Moritzstr. 26
45476 Mülheim

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Unter Biofouling versteht man die unerwünschte Ablagerung von Mikroorganismen auf Oberflächen in technischen Systemen. Dabei entstehen mikrobielle Beläge, die ihre Unterlage abdecken und angreifen und das System biologisch kontaminieren. Die auf diese Art und Weise entstandenen Schäden sind jährlich auf einige Milliarden DM einzuschätzen. Außerdem werden Biofilme heute nur mit Bioziden bekämpft, die die Umwelt zusätzlich 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 ausgewählten, für das System repräsentativen Stellen detektierbar sein. Der Sensor soll der Grundbaustein für ein Monitoring-System bilden, mit dem das Biofilm-Wachstum in situ, kontinuierlich und in Echtzeit zu verfolgen ist. Spätere Arbeiten sollen sich auf die in-situ-Identifizierung der Natur der Beläge konzentrieren. Mit dem Sensor läßt 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 Meßmethoden wurde als erstes vorgenommen werden. Dabei wurden verschiedene optische Eigenschaften des Biofilms wie Streuungseigenschaften, Brechzahl, Fluoreszenz und Farbe mit Hilfe der herkömmlichen Labormethoden, untersucht. Im zweiten Arbeitsabschnitt sollte ein Gerät entwickelt werden, mit dem die Meßsignale verschiedener Meßmethoden ausgewertet werden können.
Für die ausgewählte Meßmethode wurde ein mathematisches Modell erarbeitet. Die Korrelation zwischen theoretischen Funktionen und experimentell aufgenommenen Meßkurven wurde ermittelt. Aufgrund dieser Korrelation wurden Kallibrierungsalgorithmen für den Sensor erarbeitet, die eine Quantifizierung der Meßergebnisse 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 erfaßt. 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 hängt das gemessene Streulichtsigal von der Biofilmdicke linear ab. Es wird angenommen, daß Biofilmdicke und Partikelzahl im Biofilm linear korrelieren, was praktisch bedeutet, daß die verschiedenen Phasen des Biofilm-Wachstums zu unterscheiden sind und quantitativ ausgemessen werden können. Mit einem Korrekturkoeffzienten wurden im mathematischen Model die Abweichungen der realen Biofilmparikel von einer idealen Partikelform und -größe berücksichtigt
Mit dem realisierten Prototyp des Monitoringsystems wurden Messungen in einem Bioreaktor durchgeführt. Der Bioreaktor besteht aus Silikonschläuchen, die kontinuierlich von Wasser mit Nährmedium durchflossen sind. Die Sonde wurde in einen der Schläuche eingebaut. Mit dieser Versuchsanordnung wurde die Biofilmbildung auf der Meßfläche des Sensorkopfes gemessen . Die Biofilmbildung wurde während mehreren Tagen (in der Regel 12 bis 24) gemessen. Die exponentielle Phase sowie das Plateau der Biofilm-Bildung ließen sich eindeutig erkennen. Die Biofilmdicke während dieser Zeit bewegte sich zwischen einigen µm 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 möglich, den optimalen Zeitpunkt und die ausreichende Menge sowie den Erfolg bei Reinigungsmaßnahmen eines industriellen Wassersystems zu bestimmen. Damit läßt sich der Einsatz von Reinigungsmitteln und Bioziden, die das Abwasser belasten, stark reduzieren. Durch die rechtzeitige Reinigung des Wassersystems werden die Bedingungen für das Auftreten mikrobiell induzierter Korrosion ungünstiger und daraus folgende Schäden verringert. Nach einer auf das jeweilige Wassersystem bezogenen Kalibrierung könnte das entwickelte Monitoringsystem im Langzeitbetrieb, in situ und on line zu Beobachtung der Biofilm-Entwicklung und als Warnsystem zur rechtzeitigen Erkennung einer unzulässigen Belastung eingesetzt werden.

Die Empfindlichkeit des Systems ist im mittleren Meßbereich ausreichend.
Ungenügend empfindlich ist das System immer noch im unteren Meßbereich. Dies ist durch einen für die ausgewählten optischen Konfiguration unumgänglichen toten Bereich bestimmt. Dieser Bereich begrenzt sich meistens auf die erste Schicht Mikroorganismen auf die Meßfläche. Sie beträgt weniger als µm; solche Biofilme sind jedoch für technische Wassersysteme irrelevant und können ohne weiteres toleriert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Forschungsprpojektes sind im Rahmen drei internationalen Veranstaltungen veröffentlicht 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 - Präsentation 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 zerstörungsfrei verfolgt wird. Der Meßkopf wird in das Wassersystem so integriert, daß die Meßfläche des Sensors mit der beobachteten Oberfläche stufenlos abschließt. Mit unterschiedlich konfigurierten Meßköpfen wurden Biofilme verschiedener Dicke ausgemessen. Die Biofilmbildung in einem Testsystem wurde on line während mehrerer Tagen gemessen. Die exponentielle Wachstumsphase und das Erreichen eines Plateau sind in allen Testsystemen eindeutig detektiert worden. Für 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 erfaßt werden. Eine solche direkte Erfolgskontrolle ist bislang in der Praxis noch nicht realisiert, sie ist aber für die Optimierung von Anti-Fouling-Maßnahmen von grundlegender Bedeutung.