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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.
ZUSAMMENFASSUNG
Gebäude und Infrastrukturen prägen das Bild unserer Kulturlandschaften und erbringen essentielle Dienstleistungen für die menschliche Gesellschaft. Sie wirken sich jedoch auch unweigerlich auf die natürliche Umwelt aus, z.B. durch die strukturelle Veränderung von Lebensräumen. Überdies gelten sie aufgrund der Freisetzung chemischer Inhaltsstoffe aus den eingesetzten Baumaterialien als potentielle Verursacher negativer Umweltauswirkungen. Galvanische Anoden und organische Beschichtungen, die an Stahlbauwerken regelmäßig zum Schutz vor Korrosion zum Einsatz kommen, sind als Baumaterialien für die Verkehrsinfrastruktur von besonderer Bedeutung. In direktem Kontakt mit einem Wasserkörper oder indirekt über den Abfluss nach einem Niederschlagsereignis können zahlreiche Chemikalien in aquatische Lebensräume emittiert werden und eine Gefahr für Wasserorganismen darstellen. Zur Beurteilung der Umweltverträglichkeit von Bauprodukten existiert bislang kein einheitlicher Untersuchungs- und Bewertungsansatz. Zudem stellen galvanische Anoden und organische Beschichtungen aufgrund ihrer Zusammensetzung besondere Herausforderungen an deren ökotoxikologische Charakterisierung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die Gefährdung der aquatischen Umwelt durch galvanische Anoden und Korrosionsschutzbeschichtungen mithilfe ökotoxikologischer Untersuchungen zu beurteilen und standardisierte Bewertungsverfahren für diese Materialien zu entwickeln.
Die Untersuchung des möglichen Umwelteinflusses durch die Anwendung von Anoden an Offshore-Anlagen erfolgte auf drei trophischen Ebenen. Um eine möglichst realistischste und zuverlässige Abschätzung zu gewährleisten, wurden die Experimente in natürlichem Meerwasser und unter natürlichen pH-Bedingungen durchgeführt. Zudem erfolgte die Exposition gegenüber dem Anodenmaterial und deren Hauptbestandteilen Zink und Aluminum unter Simulation eines Worst-Case-Szenarios. Das untersuchte Anodenmaterial verursachte eine schwache Hemmung des Algenwachstums; auf die getesteten Leuchtbakterien und Flohkrebse zeigte es keine akute Toxizität. Allerdings wurde eine Erhöhung der Aluminium- und Indiumgehalte in den Krebsen festgestellt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde keine direkte Gefahr für marine Organismen durch den Einsatz galvanischer Aluminium-Anoden identifiziert. Eine Anreicherung von Metallen in Krebstieren und ein daraus resultierender Eintrag ins marine Nahrungsnetz kann jedoch nicht ausgeschlossen werden.
Die Umweltverträglichkeit organischer Beschichtungssysteme wurde exemplarisch für eine Auswahl relevanter Produkte auf Basis von Epoxidharzen (EP) und Polyurethanen bewertet. Dazu wurden beschichtete Probeplatten schrittweise über 64 Tage ausgelaugt. Die gewonnenen Eluate wurden systematisch auf ihre ökotoxikologischen Effekte (akute Toxizität gegenüber Algen und Leuchtbakterien, mutagene und estrogenartige Wirkungen) und chemische Zusammensetzung analysiert. Dabei zeigten sich insbesondere die EP-basierten Beschichtungen durch die Verursachung erheblicher bakterieller Toxizität und estrogenartiger Wirkung auffällig. Als primärer Urheber dieser Effekte wurde das kontinuierlich freigesetzte 4-tert-Butylphenol identifiziert, dessen Konzentration in allen Proben die predicted no effect concentration für Süßwasser überschritt. Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass die Gesamttoxizität nicht durch den Gehalt an 4-tert-Butylphenol in den Produkten bestimmt wird, sondern vom Freisetzungsmechanismus dieser Verbindung aus den untersuchten Polymeren abhängig ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Optimierung der Zusammensetzung, beispielsweise aufgrund einer besseren Polymerisation der Inhaltsstoffe, zu einer Reduzierung von Emissionen und damit zu einer verminderten Belastung der Umwelt führen kann.
Regen, Temperaturwechsel und Sonneneinstrahlung können zur Verwitterung polymerer Korrosionsschutzbeschichtungen führen. Um den Einfluss lichtbedingter Alterung auf die Ökotoxizität von Deckbeschichtungen zu erfassen, wurde die Emissionen und damit verbundene negative Auswirkungen von UV-bestrahlten und unbehandelten EP-basierten Produkten miteinander verglichen. Nach statischer Auslaugung stand dabei die Untersuchung estrogenartiger und bakterien-toxischer Wirkungen im Fokus, die sowohl im klassischen Mikrotiterplattenformat als auch in Kopplung mit Dünnschichtplatten detektiert wurden. Beide untersuchten Materialien zeigten nach Bestrahlung eine signifikante Abnahme der ökotoxikologischen Effekte bei gleichzeitiger Verringerung der Freisetzung von 4-tert-Butylphenol. Jedoch wurden auch Bisphenol A und verschiedene Strukturanaloga als photolytische Abbauprodukte der Polymere nachgewiesen, die ebenfalls zur beobachteten Wirkung beitrugen. Die Identifizierung bioaktiver Inhaltsstoffe konnte dabei durch die erfolgreiche Kombination der in-vitro-Bioassays mit chemischen Analysen im Sinne einer effektgeleiteten Analytik unterstützt werden. Die vorliegenden Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für die Beurteilung der generellen Eignung von Deckbeschichtungen auf Basis von Epoxidharzen.
Das im Rahmen der vorliegenden Studie entwickelte Untersuchungskonzept konnte erfolgreich auf eine Auswahl relevanter Baumaterialien angewendet werden. Die gezielte Anpassung einzelner Standardmethoden erlaubte dabei eine individuelle Produktbewertung. Gleichzeitig wurde sowohl die Zweckmäßigkeit der angewendeten ökotoxikologischen Methoden für die Untersuchung von Materialien unbekannter und komplexer Zusammensetzung bestätigt als auch die Basis für eine systematische Bewertung der Umweltverträglichkeit von Korrosionsschutzprodukten geschaffen. Vor dem Hintergrund der Europäischen Bauprodukteverordnung kann der gewählte Ansatz dem einfachen Vergleich verschiedener Baumaterialien z.B. innerhalb einer Produktgruppe dienen und damit die Auswahl umweltverträglicher Produkte vereinfachen und zur Optimierung einzelner Rezepturen beitragen.
Dadurch, dass Silber-Nanopartikel (Ag NPs) vielfältig in Konsumartikeln eingesetzt werden, führt deren Auswaschung zu einer kontinuierlichen Freisetzung von Ag NPs in natürliche Gewässer. Dadurch werden bakterielle Biofilme, welche die vorherrschende Lebensform von Mikroorganismen in der aquatischen Umwelt darstellen, sehr wahrscheinlich mit diesen in Form eines Umweltschadstoffes onfrontiert. Ungeachtet der bedeutsamen ökologischen Relevanz von bakteriellen Biofilmen in aquatischen Systemen und obwohl erwartet wird, dass Ag NPs in diesen Biofilmen in der Umwelt akkumulieren, liegt der Wissensstand hinsichtlich der umweltbedingten und ökologischen Auswirkung von Ag NPs hinter dem industriellen Wachstum der Nanotechnologie zurück. Demzufolge ist das Ziel dieser Dissertation, die Wirkungsbeziehung der Ag NP-Exposition gegenüber bakteriellen Biofilmen mit Ag NP-Immissionskonzentrationen und unter umwelt-relevanten Bedingungen zu erbringen. Infolgedessen wurden eine umfassende Reihe an Methoden angewendet, um zu untersuchen ob und inwiefern Ag NPs in zwei verschiedenen Größen (30 und 70 nm) und in umweltrelevanten Konzentrationen (600 - 2400 µg l-1) bakterielle Biofilme, d.h. monospecies- und Süßwasser-Biofilme, beeinträchtigen. Innerhalb des ersten Teils dieser Arbeit wurde ein neu entwickelter Assay validiert, um die mechanische Stabilität von monospecies Biofilmen des Bakteriums Aquabacterium citratiphilum zu untersuchen. In der ersten Studie, welche den Einfluss von Ag NPs auf die mechanische Stabilität von bakteriellen Biofilmen untersucht hat, wurden subletale Auswirkungen auf die mechanische Stabilität dieser Biofilme mit negativen Implikationen für die Biostabilisation festgestellt. Weiterhin wurde eine Mesokosmus-Studie konzipiert und durchgeführt, innerhalb der die Auswirkungen von Ag NPs auf Süßwasser-Biofilme eingehend unter realistischen Umweltbedingungen untersucht werden konnte, da es derzeit technisch noch sehr anspruchsvoll ist, die Ökotoxizität von Ag NPs in der Umwelt von Binnengewässern zu untersuchen. Innerhalb dieser Studie wurden verschiedene Methoden zur Untersuchung der Biofilmeigenschaften eingesetzt und damit Erkenntnisse über die Resilienz von bakteriellen Süßwasser-Biofilmen gewonnen. Demgegenüber konnte mittels t-RFLP fingerprinting und phylogenetischen Untersuchungen basierend auf der Sequenzanalyse des 16S-rRNA-Gens nachgewiesen werden, dass die Exposition der Biofilme mit Ag NPs zu einer Verschiebung innerhalb der Zusammensetzung der bakteriellen Biofilmgemeinschaft führt, in der Ag NP-sensitive Arten von Ag NP-toleranten Arten, die besser an Ag NP Stress adaptiert sind, verdrängt wurden. Diese Verschiebung innerhalb der bakteriellen Biofilmgemeinschaft könnte die Biofilm-Leistungen beeinträchtigen, die intakte Biofilme auszeichnen, wie etwa den Abbau erhöhten Nährstoffeintrags, die Umwandlung und/oder den Abbau von Schadstoffen sowie Biostabilisation. Durch das Zusammenführen der wichtigsten Erkenntnisse dieser Dissertation konnten 4 generelle Wirkmechanismen durch die Ag NP-Behandlung identifiziert werden, die auf natürliche Süßwassersysteme übertragbar sein könnten: (i) Comamonadaceae wurden als Ag NP-tolerant identifiziert, (ii) Biofilme zeigen ein partiell resilientes Verhalten, (iii) die beiden eingesetzten verschiedenen Ag NP-Größen führten zu vergleichbaren Ergebnissen unabhängig von deren Größe oder Synthesemethode, (iv) Bakterielle Biofilme verfügen über eine hohe Aufnahmekapazität für Ag NPs, die auf eine kumulative Anreicherung hinweist.