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Biofouling oberflächenbehandelter Kunststoffe und austenitischen Stahls in Wärmeübertragern

  • Wärmeübertrager werden zur Aufkonzentrierung verschiedener flüssiger Produkte, zur Entsalzung von Meerwasser, aber auch als Kühlelemente in technischen Anlagen eingesetzt. Dabei kommen die Verdampfelemente nicht nur mit Prozesswasser, sondern, gerade bei der Meerwasserentsalzung, auch mit Mikroorganismen in Kontakt. Klassische Wärmeübertrager bestehen aus Stahl. Nach einer Betriebszeit von mehr als 2 Jahren ist das Material starkem Biofouling ausgesetzt. Durch die Besiedlung mit Mikroorganismen und die Bildung der gelartigen Biofilmmatrix verlieren Wärmeübertrager ihre Effizienz und erzeugen zusätzliche Kosten. Die Reinigung eines Wärmeübertragers ist üblicherweise aufwendig. Dafür wird der Wärmeübertrager, nach Außerbetriebnahme, komplett demontiert. Mogha et al. 2014 stellen in ihrer Studie die These auf, dass die Initialbesiedlung von Materialien durch veränderte Oberflächenparameter verlängert wird. Dies verzögert die Entstehung von Biofouling und minimiert den Einsatz von Desinfektionsmitteln und green chemicals stark. Kunststofffolien als alternativer Werkstoff für den Einsatz im wärmeübertragenden Element haben durch ihre niedrigen Produktionskosten, leichte Verfügbarkeit und höhere Korrosionsbeständigkeit als Stahl das Potential, die Kosten für Stilllegung, Reinigung und Effizienzverlust zu reduzieren. Dabei sollen die dünnen Folien komplett ausgetauscht werden, wenn der Wirkungsgrad abnimmt. Schwankenden Stahlpreisen und langen Stillstandszeiten könnte ausgewichen werden. Zur zielgerichteten Untersuchung der mikrobiologischen und verfahrenstechnischen Herausforderungen des Projekts besteht eine Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (TU Kaiserslautern) und der AG Mikrobiologie (Universität Koblenz-Landau). Ziel dieser Arbeit ist die Konstruktion und Herstellung eines Reaktors zur Exposition der Kunststofffolien nach realem Vorbild, die Erstellung eines Untersuchungsdesigns und die experimentelle Untersuchung verschiedener Kunststofffolien auf Biofouling im Vergleich zu austenitischen Stahlfolien. Die Hauptaufgabe dieser Arbeit war der Entwurf und die Konstruktion eines Reaktors, dessen Prozessparameter vergleichbar mit realen Wärmeübertragungsanlagen und kostengünstiger als kommerzielle Systeme (~1000$) sind. Für eine positive Zielerreichung wurden folgende Kriterien umgesetzt: Vergleichbare Prozessparameter zu realen Anlagen bereitstellen, kostengünstige, schnelle Konstruktion und serienreife Produktion ermöglichen, schnelle Online-in-situ Mikroskopie sowie Online-3D-Konfokale-Ramanspektroskopie ermöglichen, reproduzierbare Ergebnisse von Zellzahl- und Biomassebestimmung erzeugen und eine möglichst große Anzahl an Untersuchungs-parallelen bereitstellen. Da die Bestimmung von Biomasse und Zellzahl ein Standardwerkzeug zur Bestimmung von Biofouling darstellt, bilden epifluorenszenzmikroskopische und gravimetrische Verfahren die Grundlage dieser Arbeit. Die Unterschiede in Zellzahl und Biomasse zwischen Oberflächenmodifikation und Werkstoff werden quantitativ dargestellt und ausgewertet. Um die reale biologische Relevanz der Daten herauszustellen, wurde als Modellorganismus das Bakterium Escherichia coli K12 sowie als natürliches Inokulum Flusswasser aus dem Rhein untersucht. Die damit erzeugten Daten zum Biofouling durch Umweltmedien unbekannter mikrobieller Zusammensetzung und einem Laboransatz mit definierter biologischer Zusammensetzung sind für die Beschreibung der technischen Relevanz wesentlich. Die materialwissenschaftlichen Parameter Oberflächenenergie (DIN 55660) und Oberflächenrauigkeit (DIN EN ISO 4287) sind der erste Kontaktpunkt zwischen Materialoberfläche und Mikroorganismus. Deren Bestimmung und Korrelation mit der Biomasse und der bakteriellen Zellzahl dient als basale Verknüpfung zwischen dem Biofoulingverhalten als biologisch induziertem Prozess und den Materialeigenschaften. Darauf basierend können zukünftig definierte Materialeigenschaften zur Zielerreichung festgelegt werden. Der in dieser Arbeit exemplarisch gezeigte Einsatz der Raman-Spektroskopie als neuartiger "cutting-edge" Methode gibt einen Ausblick auf zukünftige Untersuchungsmöglichkeiten zur routinemäßigen Erfassung des Biofouling-Verhaltens neuer, funktional optimierter Materialien.
  • Heat exchangers are used for thickening of various products or desalination of saltwater. Nevertheless, they are used as cooling unit in industries. Thereby, the stainless steel heat transferring elements get in contact with microorganism containing media, such as river water or saltwater, and corrode. After at least two years of utilization the material is covered with bacterial slime called biofilm. This process is called biofouling and causes loss in efficiency and creates huge costs depending on cleaning technique and efficiency. Cleaning a heat exchanger is very expensive and time consuming. It only can be done while the device is out of business. Changing the surface properties of materials is the best and easiest way to lengthen the initial phase of biofilm formation. This leads to less biofouling (Mogha et al. 2014). Thin polymer films as novel materials have less costs in production than stainless steel and are easy to handle. Furthermore, they can be functionalzed easily and can be bougth in different sizes all over the world. Because of this, they can reduce the costs of cleaning techniques and lead to a longer high efficiency state of the heat exchanger. If the efficiency of the heat exchanger decreases, the thin polymer films can be replaced. For a successful investigation of the microbial and the process engineering challenges a cooperation of Technical University of Kaiserslautern (chair of seperation science and technology) and University of Koblenz-Landau (working goup microbiology) was established. The aim of this work was design engineering and production of a reactor for investigation of biofouling taking place on thin polymeric films and stainless steel. Furthermore, an experimental design has to be established. Several requirements have to be applied for these tasks. Therefore, a real heat exchanger is downscaled, so the process parameters are at least comparable. There are many commercial flow cell kits available. Reducing the costs by selfassembling increased the number of samples, so there is a basis for statistic analysis. In addition, fast and minimal invasive online-in-situ microscopy and Raman spectroscopy can be performed. By creating laminary flow and using a weir we implemented homogenous inflow to the reactors. Reproduceable data on biomass and cell number were created. The assessment of biomass and cell number is well established for drinking water analysis. Epifluorescense microscopy and gravimetric determination are the basic techniques for this work, too. Differences in cell number and biomass between surface modifications and materials are quantified and statistically analysed. The wildtype strain Escherichia coli K12 and an inoculum of 500 ml fresh water were used to describe the biofouling of the films. Thereby, we generated data with natural bacterial community in unknown media properties and data with well known media properties, so the technical relevance of the data is given. Free surface energy and surface roughness are the first attachment hurdles for bacteria. These parameters were measured according to DIN 55660 and DIN EN ISO 4287. The materials science data were correlated with the number of cells and the biomass. This correlation acts as basal link of biofouling as biological induced parameter to the material properties. Material properties for reducing the biofouling can be prospected. By using Raman spectroscopy as a cutting edge method future investigations could be shortened. If biomass or cell number can be linked with the spectra, new functional materials can be investigated in a short time.

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Metadaten
Author:Marco Madzgalla
URN:urn:nbn:de:kola-9398
Title Additional (English):Biofouling of surface treated polymer films and stainless steel in technical devices
Referee:Werner Manz
Advisor:Werner Manz, Jutta Meier
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Date of completion:2015/05/26
Date of publication:2015/05/26
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Release Date:2015/05/26
Tag:Epifluoreszenzmikroskopie; Raman-Spektroskopie
Biofouling; adhesion; bacteria; biofilm; biomass; bioreactor; heat exchanger; polymer films; stainless steel; surface energy; surface roughness
GND Keyword:Adhäsion; Austenitischer Stahl; Bakterien; Biofilm; Biofouling; Bioreaktor; Folie; Kunststoff; Mikroskopie; Polymere; Spektroskopie; Wärme
Number of pages:89 S. : Ill., graph. Darst.
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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