DE69715743T2 - Verfahren zur Hemmung des Wachstums von Mikroorganismen in einem wässrigen Medium - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hemmung des Wachstums von Mikroorganismen in einem wässrigen Medium.
• Mikrobiologisches Wachstum tritt in vielen Systemen auf, in denen wässrige Medien, wie Wasser, wässrige Lösungen und wässrige Dispersionen Verwendung finden.
• In vielen Bereichen der fotografischen Verarbeitung sowie in anderen Systemen gibt es beispielsweise erhebliche Probleme mit Biobewuchs, insbesondere, bei niedrigen Strömungsraten und bei der Wasseraufbereitung. Biowachstum ist ein komplexer Prozess, der bewirkt, dass sich Mikroorganismen, z. B. Bakterien, an Oberflächen anlagern; dieser Prozess kann sich über einen breiten Bereich bakterieller Belastung erstrecken. Die Ursache kann ein diffusionsgesteuerter Prozess oder ein Nährstoffmangel in der Lösung sein, der ein Anlagern der Bakterien an Oberflächen bewirkt.
• Biozide finden seit vielen Jahren zur Kontrolle mikrobiologischen Wachstums Verwendung, weisen jedoch einige Nachteile auf. Erstens sind sie von Natur aus relativ toxisch, was mit den entsprechenden Problemen bei Handhabung und Aufbewahrung verbunden ist. Zweitens erfolgt das Zusetzen von Bioziden nicht immer sorgfältig genug, so dass sie möglicherweise auch ohne Notwendigkeit zugesetzt werden, was kostspielig und für die Umwelt potenziell gefährlich ist. Drittens können Mikroorganismen resistent gegenüber einem bestimmten Biozid werden, was es erforderlich macht, Biozide regelmäßig zu wechseln. Viertens werden die gesetzlichen Bestimmungen zur Entsorgung von Bioziden in den Abwasserkanal in vielen Ländern immer strenger, so dass sich die herkömmliche Anwendung von Bioziden aufgrund der Entsorgungsproblematik möglicherweise verbietet. Und schließlich gibt es keine universelle Behandlung zur Abtötung oder Kontrolle aller Arten von Bakterien und Pilzen. Der Stand der Technik ist somit auf relativ toxische Chemikalien, Chlorung, UV-Bestrahlung, Ozonspaltung und Gammastrahlung beschränkt.
• EP-A-0 536 087 beschreibt ein Behältersystem für die verlängerte und gleichmäßige Freisetzung löslicher, aktiver Materialien in Wasser oder einem wässrigen Medium, das einen Beutel aus Textilverbundstoff umfasst, der das aktive Material enthält, z. B. ein Fungizid. Der Textilverbundstoff besteht aus Endlosfilamenten oder Mikrofasern eines synthetischen, thermoplastischen Polymers, das zur Erlangung des erforderlichen Durchlässigkeitsgrads behandelt worden ist.
• US-A-4 781 897 beschreibt einen Spender, der einen Stoff, wie Chlor, in eine wässrige Lösung einspeist, z. B. das Wasser eines Schwimmbeckens.
• EP-A-0 496 905 beschreibt ein Verfahren zur Reduzierung von Schleimbildung in Anlagen, in denen Wasser zirkuliert. Der Prozess umfasst das Einspeisen von Lignosulfonat in Wasser, wobei das Lignosulfonat in einem speziellen Prozess hergestellt wird und eine spezielle Zusammensetzung aufweist.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Hemmung des Wachstums von Mikroorganismen in einem wässrigen Medium bereitzustellen, das nicht die Verwendung toxischer Chemikalien oder Strahlung umfasst.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Hemmung des Wachstums von Mikroorganismen in einem wässrigen Medium ohne Verwendung toxischer Chemikalien bereit, welches das Inkontaktbringen des wässrigen Mediums mit einem wasserdurchlässigen Körper umfasst, der Material beinhaltet, das mit den Mikroorganismen in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein biologisch abbaubares Material ist, das die Mikroorganismen anzieht, sich daran anlegt und von diesen biologisch abbaubar ist.
• Die Erfindung sieht einen passiven Weg zur Lösung des Problems von Biowachstum an Oberflächen vor. Es erfolgt keine Einspeisung toxischer Chemikalien in das Wasser.
• Da die Mikroorganismen von dem wasserdurchlässigen Körper angezogen werden, lässt sich der Biobewuchs anderer Komponenten reduzieren.
• Das Verfahren ist einfach und im Unterschied zur Verwendung von Filtern oder Säulen nicht von der Strömungsgeschwindigkeit oder dem Druck des Wassers abhängig. Zudem treten nicht die mit Filtern und Säulen verbundenen Verstopfungsprobleme auf.
• Der in der Erfindung verwendet wasserdurchlässige Körper lässt sich einfach in das wässrige Medium einsetzen und daraus entnehmen.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Kurve der Zählung lebender Planktonbakterien, abgetragen zur Zeit, gemäß den in Beispiel 1 erzielten Ergebnissen.
• Fig. 2 eine Kurve der Zählung lebender Planktonbakterien, abgetragen zur Zeit, gemäß den in Beispiel 2 erzielten Ergebnissen.
• Fig. 3 eine Kurve der Zählung lebender Planktonbakterien, abgetragen zur Zeit, gemäß den in Beispiel 3 erzielten Ergebnissen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hemmt das Wachstum von Mikroorganismen in einem wässrigen Medium. Mikroorganismen umfassen Bakterien, Hefen, Pilze und Algen. Derartige Mikroorganismen sind insbesondere in nährstoffarmen wässrigen Umgebungen zu finden, wie Waschwassertanks von Fotoprozessoren.
• Der wasserdurchlässige Körper umfasst biologisch abbaufähiges Material, d. h. Material, das von einem oder mehreren der Mikroorganismen in dem wässrigen Medium abgebaut werden kann. Vorzugsweise erfolgt der biologische Abbau relativ langsam, z. B. mit einer Halbwertzeit von 4 Wochen bis 6 Monaten, wie in Chemistry and Technology of Biodegradable Polymers beschrieben, herausgegeben von G J L Griffin, erschienen bei Blackie Academic & Professional, 1994.
• Das biologisch abbaufähige Material übt auf die Mikroorganismen eine Affinität aus, so dass diese von dem Material angezogen werden und daran haften. Vorzugsweise ist dieses Material hydrophob.
• Vorzugsweise ist das Material im wesentlichen frei von einem in dem wässrigen Medium löslichen Material.
• Vorzugsweise hat das Material eine Dichte, die niedriger als die des wässrigen Mediums ist, in dem es Verwendung findet.
• Vorzugsweise weist das Material eine Form auf, die eine große Fläche bietet, z. B. Fasern oder Partikel, wie Körner oder Granulate. Die Größe des Materials ist derart beschaffen, dass es in dem wasserdurchlässigen Behälter bleibt.
• Derartige biologisch abbaubare Materialien werden in der Technik z. B. in Chemistry and Technology of Biodegradable Polymers beschrieben, herausgegeben von G J L Griffin, erschienen bei Blackie Academic & Professional, 1994. Beispiele geeigneter Materialien umfassen alle oligomeren oder polymeren Materialien, die Kohlenstoff, Wasserstoff und wahlweise Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel enthalten. Spezielle Beispiele der bevorzugten Materialien umfassen Cellulose und deren Derivate, z. B. Pflanzenfasern.
• Der wasserdurchlässige Körper kann in einer beliebiger Form ausgebildet sein, die einfach in das wässrige Medium einsetzbar und daraus entnehmbar ist. Der Körper ist derart beschaffen, dass er innerhalb und außerhalb des wässrigen Mediums intakt bleibt.
• Beispiele für Formen, die der wasserdurchlässige Körper annehmen kann, umfassen einen gewebten oder nicht gewebten Faserkörper, einen Köper aus einem bestimmten Material, in dem die Partikel aneinander haften, Zusammenballungen von Materialien mit großer Oberfläche, z. B. Faser- oder Rohrbündel sowie mehrschichtige oder gefaltete Bogen.
• Das Material kann auf einem Träger befestigt sein.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der wasserdurchlässige Körper einen wasserdurchlässigen Behälter, der das Material enthält. Die Größe des Materials ist derart beschaffen, dass es in dem wasserdurchlässigen Behälter bleibt. In diesem Format kann das Material in Form loser Fasern oder Partikel vorliegen.
• Der wasserdurchlässige Behälter ist aus einem beliebigen Material herstellbar, vorausgesetzt, es beeinträchtigt die Wachstumshemmung von Mikroorganismen durch das darin enthaltene Material nicht.
• Vorzugsweise ist das Behältermaterial in dem wässrigen Medium nicht löslich.
• Vorzugsweise hat das Behältermaterial eine Dichte, die niedriger als die des wässrigen Mediums ist, in dem es Verwendung findet.
• Bevorzugte Materialien, aus denen der Behälter herstellbar ist, umfassen Polymere, z. B. ein Polyamid, wie Nylon, ein Polyolefin, wie Polypropylen oder ein Polyester, wie Polyacrylat. Weitere geeignete Materialien umfassen Metalle, z. B. Edelstahl, anorganische Oxide, z. B. Siliciumdioxid und anorganisch-organische Verbundstoffe, z. B. organisch modifizierte Silicate.
• Der Behälter muss wasserdurchlässig sein. Zudem ist der Behälter aus gewebtem Polymerfasermaterial herstellbar. Alternativ ist er aus dem Material in einer anderen porösen Form herstellbar.
• Vorzugsweise beträgt die Größe der Poren oder Öffnungen in dem Behälter mindesten 0,5 um, vorzugsweise mindestens 5 um, damit die Mikroorganismen in den Behälter eintreten können.
• Der Behälter kann jede Form annehmen, z. B. Schachtel, Zylinder, Kugel oder eine andere dreidimensionale Form. Vorzugsweise ist der Behälter als eine Tasche aus flexiblem Material ausgebildet, z. B. einem Webmaterial. Eine geeignete Tasche ist beispielsweise aus zwei benachbarten Bogen eines an den Kanten verschweißten Materials herstellbar. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden gewebte Polymerfasern verwendet.
• Die Größe des Behälters kann je nach vorgesehenem Verwendungszweck variieren. Um Wasser in kleinen Tanks aufzubereiten, kann der Behälter beispielsweise eine Größe aufweisen, die eine Oberfläche von 100 cm² ergibt. Es sind auch wesentlich größere Oberflächen verwendbar.
• Vorzugsweise wird anstatt eines einzigen, großen Behälters eine Anzahl kleiner Behälter verwendet.
• Vorzugsweise haben das Material, aus dem der Behälter hergestellt wird sowie das in dem Behälter befindliche biologisch abbaubare Material eine niedrigere Dichte als das wässrige Medium, in dem dieses Verwendung findet, so dass der Behälter auf der Oberfläche des Mediums schwimmt. Dies ist ein bevorzugter Ort, da Mikroorganismen dazu neigen, sich an der Schnittstelle zwischen Luft und Wasser zu sammeln.
• Alternativ hierzu können der Behälter und der Inhalt eine größere Dichte aufweisen als das wässrige Medium und in diesem suspendiert sein.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist in einem beliebigen wässrigen System verwendbar, das einer Verunreinigung durch Mikroorganismen unterliegt. Typische Systeme umfassen Waschwasser in industriellen Verfahren, z. B. in der Nahrungsmittelverarbeitung, Papierherstellung, Textilproduktion, Wäscherei und Fotoverarbeitung. Andere Anwendungen umfassen Wasserkühlungen, Öl-/Wassersysteme und Wasserreinigung, wo Mikroorganismen abgetötet werden müssen oder ihr Wachstum kontrolliert werden muss.
• Eine bevorzugte Anwendung ist die Behandlung fotografischer Lösungen in Fotoverarbeitungsvorrichtungen, z. B. Waschwasser, Stabilisatorlösung, Bleichlösung, Fixierlösung, Bleich-/Fixerlösung und andere wässrige industrielle Ströme, wie Kühlwasser.
• Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Inkontaktbringen des wässrigen Mediums mit dem wasserdurchlässigen Materialkörper und das Belassen des Körpers in dem Medium für eine Zeitdauer, die ausreicht, um das Wachstum von Mikroorganismen zu hemmen. Die Zeitdauer kann erheblich schwanken, z. B. von 8 Stunden bis zu 6 Monaten, vorzugsweise von 3 Tagen bis zu 30 Tagen. Der wasserdurchlässige Körper kann bei Bedarf entfernt und ersetzt werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen dargestellt.
Beispiel 1
• Es wurde ein Versuch mit Taschen durchgeführt, die verschiedene Arten von Fasern enthielten, die derart konstruiert waren, dass sie einen breiten Leistungsbereich zur Steuerung bakterieller Populationen in einem wässrigen Medium ermöglichten. Verwendet wurden gewebte Polypropylentaschen mit biologisch abbaubaren Pflanzenfasern (B) (OilsorbTM von Wessex), nicht biologisch abbaubaren Fasern (C) und nicht biologisch abbaubaren Polypropylenfasern plus absorbiertem Biozid (D). Nylongewebetaschen mit Polyestergranulatmaterial (E) wurden ebenfalls verwendet. Zwei Taschen jeder Art wurden in getrennten konischen Gefäßen angeordnet, die als Duplikate dienten und die jeweils 50 ml Wasser enthielten, Ein aliquoter Teil von Pseudomonas aeruginosa (einem Mikroorganismus, der häufig in Waschwasser von Fotoverarbeitungsvorrichtungen anzutreffen ist) wurde zugesetzt, um eine bakterielle Ausgangsbakterienbelastung von 105 Keimzahleinheiten/ml bereitzustellen. Diese Gefäße plus zusätzlicher Kontrollgefäße (A) ohne Taschen wurden für 1 Woche bei 30ºC inkubiert. Dem wässrigen Medium wurden nach 1, 2, 3, 6 und 7 Tagen Proben entnommen, und die Anzahl lebender Planktonbakterien wurde durch Aufbringen auf Nährboden unter Verwendung einer Verdünnungsreihe sowie durch Keimzahlbestimmung ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
• Die Ergebnisse sind in Fig. 1 grafisch abgetragen. Daraus ist zu ersehen, dass die Bakterienpopulation in der Kontrollprobe aufgrund des Nährstoffmangels in dem Wasser über 7 Tage nur geringfügig anstieg. Ein ähnliches Muster ist für die nicht biologisch abbaubaren Polypropylene und Polyesterfasertaschen zu beobachten. Die "aktiven" Taschen, die adsorbiertes Biozid enthielten, reduzierten die Keimzahl erwartungsgemäß innerhalb des ersten Tages unter die Nachweisgrenze (-16 cfu/ml). Es sei darauf hingewiesen, dass das Biozid wahrscheinlich bei Kontakt mit Wasser desorbiert worden wäre, d. h. dass dies kein Beispiel für die im vorausgehenden Abschnitt erwähnte langsame Freisetzungstechnik ist, sondern für ein Verfahren mit hoher Ausgangsdosis.
• Die biologisch abbaubaren Pflanzenfasern erzeugten jedoch auch eine erhebliche Reduzierung der planktonartigen Bakterienpopulation derart, dass sich die Keimzahl nach 2 Tagen unter der Nachweisgrenze befand. Dieses Ergebnis war nicht zu erwarten, da die biologisch abbaufähigen Materialien Nährstoffe für die Bakterien bilden könnten, wodurch ein Anstieg der Bakterienpopulation zu erwarten gewesen wäre. Dieses Ergebnis zeigt eine Möglichkeit zur Kontrolle einer planktonartigen Bakterienpopulation ohne chemische Biozide oder andere gängige Behandlungen einsetzen zu müssen.
Beispiel 2
• Ein weiterer Versuch unter Verwendung der gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wurde über 15 Tage durchgeführt, um zu ermitteln, ob die Bakterienpopulation während eines längeren Zeitraums ansteigen würde. Es wurde die Versuchsanordnung aus Versuch 1 verwendet, und zu Vergleichszwecken (F) wurde eine kommerzielle Biozidfreisetzungstasche von Rohm und Haas (KathonTM MWX, ein Isothiazolinon, das zur Kontrolle von mikrobiologischem Wachstum in Metallverarbeitungslösungen Verwendung findet) in die Versuchsreihe aufgenommen. Die biologisch nicht abbaubaren Polypropylenfasern wurde nicht analysiert, sondern durch einige nicht biologisch abbaubare Polyesterfasern (C) in einer Nylongewebetasche ersetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zu sehen. Tabelle 2
• Die Ergebnisse sind in Fig. 2 grafisch abgetragen, wo zu erkennen ist, dass die "aktiven" Taschen, die von Polypropylenfasern absorbiertes Biozid enthielten, sowie die kommerziell erhältlichen Taschen die Planktonpopulation innerhalb des ersten Tages unter die Nachweisgrenze reduzierten. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Versuch keine Bakterien nach deren Abtötung regeneriert wurden, so dass nicht mit einem Anstieg der Bakterienpopulation zu rechnen ist. Wie in Beispiel 1 gezeigt, ergaben die Kontrolltasche und die mit Polyestergranulat gefüllte Tasche weder eine derartige Kontrolle der Bakterienpopulation, noch erzeugten sie ein Wachstumsmittel, obwohl zwischen dem 12. und dem 15. Tag ein Anstieg auf ~10&sup7; cfu/ml zu verzeichnen war. Die polyesterfasergefüllten Taschen schienen die planktonartige Bakterienpopulation nicht zu beeinträchtigen Die Kontrolle der Bakterienpopulation wurde mit den biologisch abbaubaren, fasergefüllten Taschen nach 5 Tagen erreicht, und die Keimzahl blieb während der gesamten verbleibenden Zeit unterhalb von 16 cfu/ml. Diese Ergebnisse bestätigen die in Beispiel 1 ermittelten. Es lässt sich daraus schließen, dass sich bei Verwendung eines im gewissen Maße biologisch abbaubaren Materials, das in Kontakt mit dem Wasser ist, eine planktonartige Bakterienpopulation in dem Wasser über eine lange Zeitdauer erheblich reduzieren lässt.
• Es wird angenommen, dass dieses neue Konzept aufgrund der Migration der Planktonbakterien zur Oberfläche des biologisch abbaubaren Materials funktioniert, wo diese zur Ruhe kommen. Die Erfindung ist verwendbar, um die bakteriellen Konzentrationen in den Wassertanks von Fotoprozessoren derart niedrig zu halten, dass sich auf den Komponenten der Fotoprozessoren aufgrund der "Opferfunktion" der vorhandenen, gefüllten Taschen, keine Bakterienfilme bilden können. Nach festen Zeitintervallen die mit den regelmäßigen Wartungsplänen übereinstimmen, könnten die Taschen ausgewechselt werden.
Beispiel 3
• Ein weiterer Versuch wurde unter Einsatz des gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 und 2 unternommen. Dieser Versuch wurde über 38 Tage durchgeführt, um zu ermitteln, ob die Taschen die Bakterienpopulation stabil halten könnten, wenn im Abstand von 3 bis 4 Tagen wiederholt Pseudomonas aeruginosa zugesetzt werden würde. Es wurden verschiedene Materialien getestet, nämlich biologisch abbaubare Pflanzenfasern (B), biologisch abbaubare Pflanzenfasern mit absorbiertem Biozid (BactiguardTM, einem Isothiazolinon) (C), BiopolTM (einem Polyhydroxybutyrat-Polyhydroxyvalerat-Copolymer von Zeneca) in Nylongewebetaschen (D), BiocetaTM (ein biologisch abbaubares Polymer von Rhone Poulenc (T1807 6V30S) in Nylongewebetaschen (E) und biologisch abbaubare Polypropylenfasern (F).
• Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zu sehen. Tabelle 3
• Die Ergebnisse sind grafisch in Fig. 3 abgetragen; dort ist zu erkennen, dass die Bakterienkontrollpopulation (A) während der 38 Tage aufgrund von Nährstoffmangel nur einen sehr geringen Anstieg aufwies. Die biologisch abbaubaren Pflanzenfasern mit absorbiertem Biozid (C) zeigen an ersten Tag eine Biozidwirkung, indem sie die Bakterienpopulation durch die schnelle Freisetzung einer großen Menge von Biozid unter die Nachweisgrenze reduzieren. Die biologisch abbaubaren Pflanzenfasern (B) und die Bioceta-Taschen (E) reduzieren ebenfalls die Anzahl lebensfähiger Planktonbakterien unter die Nachweisgrenze, jedoch nach 2 bzw. 6 Tagen. Die Biopol- Taschen (D) haben keine Wirkung auf die Bakterienpopulation, wobei die Keimzahl während des gesamten Versuchs konstant bleibt. Die Polypropylentaschen (F), die weder biologisch abbaubar sind noch Biozide enthalten, halten die Bakterienpopulation während des gesamten Versuchs zwischen 103 und 104 cfu/ml, und zwar auch unter erneuter Belastung.
• In allen Fällen, in denen die planktonartige Bakterienpopulation kontrolliert wurde, versagte dieses Verfahren zur Kontrolle mikrobiologischen Wachstums auch dann nicht, wenn weitere Bakterien in das System eingebracht wurden.
• Dieses Verfahren ist somit verwendbar, um die Bildung von Biofilmen in einem Fotoprozessor zu begrenzen, indem dieser als Opfermedium dient, das "eine Anlagerungsfläche bietet und aktiv bleibt", und zwar auch unter erheblicher, erneuter Belastung.

Claims (10)

1. Verfahren zur Hemmung des Wachstums von Mikroorganismen in einem wässrigen Medium ohne Verwendung toxischer Chemikalien, welches das Inkontaktbringen des wässrigen Mediums mit einem wasserdurchlässigen Körper umfasst, der Material beinhaltet, das mit den Mikroorganismen in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein biologisch abbaubares Material ist, das die Mikroorganismen anzieht, sich daran anlegt und von diesen biologisch abbaubar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der durchlässige Körper einen durchlässigen Behälter umfasst, der das Material beinhaltet, das mit den Mikroorganismen in Wechselwirkung tritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Material hydrophob ist.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin das Material eine Dichte aufweist, die kleiner als das wässrige Medium ist, in der es Verwendung findet.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin das Material fasrig oder partikelförmig ausgebildet ist.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin das Material Cellulose oder ein Cellulosederivat ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, worin das Material, aus dem der durchlässige Behälter gefertigt ist, ein Polymer ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin das Material, aus dem der durchlässige Behälter gefertigt ist, ein Fasermaterialgewebe ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, worin der durchlässige Behälter in Form eines Beutels ausgebildet ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, worin das Material, aus dem der durchlässige Behälter gefertigt ist, eine geringere Dichte aufweist als das wässrige Material, in dem er Verwendung findet.