Untersuchung der Langzeitwirkung von Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahmen auf Werkstoffe hinsichtlich erneuter Biofilm-Bildung

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1 Teilprojekt 4 a Untersuchung der Langzeitwirkung von Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahmen auf Werkstoffe hinsichtlich erneuter Biofilm-Bildung G. Schaule, D. Moschnitschka, S. Schulte Fallbeispiele S. Grobe, J. Wingender, G. Schaule (siehe Poster)

2 Werkstoffe Biofilme These zu Beginn des Projektes: Durch wiederholte Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahmen kommt es zu irreversiblen Veränderungen des Werkstoffs und als Folge zu veränderten Eigenschaften und potentiell erhöhter mikrobieller Besiedlung Neuer Werkstoff Temperatur Chemikalien Desinfektionsmittel Wasser Scherkräfte Alter Werkstoff Einbau neuer Bauteile Zeit Veränderung der Werkstoffeigenschaften! Freisetzung bioverfügbarer Stoffe?

3 Auswirkung von Sanierungsmaßnahmen auf Werkstoffe - speziell Kunststoffe Viele neue Erkenntnisse wurden in den letzten Jahren gewonnen z. B. GfKorr Arbeitskreis AK Rohre (Lebensdauer) Infolge thermischer, oxidativer u. a. Einflüsse verändern sich Kunststoffe; dieser Prozess wird als Alterung bezeichnet. Bei Desinfektionen z. B. mit Natriumhypochlorit oder Chlordioxid findet ein thermo-oxidativer Angriff bei allen Kunststoffen wie PE, PP, PVC, EPDM usw. statt. Art, Konzentration und Einwirkzeit des Desinfektionsmittels wirken sich auf den Werkstoffalterungsprozess aus. Je höher die Konzentration desto rascher erfolgt die Oxidation. Oxidative Desinfektionsmittel mit höherem Oxidationspotential bewirken einen stärkeren Angriff (NaOCl < Cl 2 < ClO 2 ). Quelle u.a.: Dr. Heinz Vogt, Basell Polyolefine GmbH, Frankfurt Sitzung AK Rohre am beim SKZ in Würzburg

4 TK des DVGW Hygiene in der Trinkwasser-Installation ewp 3/2010 Zitat: Jede Desinfektion kann zu einer Beeinflussung der Werkstoffe oder Produkte in der Trinkwasser-Installation führen. Damit gilt, je häufiger desinfiziert wird, desto größer ist das Risiko, dass es zu Anlageschäden kommt.. Als wichtige Einflussgrößen gelten: Typ des Desinfektionsmittels, Einsatzkonzentration, Kontaktzeit; Offen ist die Frage, wie sich die Beeinflussung der Werkstoffe auf die Besiedlung und die weitergehende Biofilmentwicklung auswirkt

5 TP 4 a: Werkstoffe - Biofilme Die Ausbildung von Biofilmen wird von verschiedensten Faktoren beeinflusst Wasserphase DOC Wasserhärte Bioverfügbare Nahrungsstoffe Werkstoff-Typ (Formulierung) Biofilmbildung Werkstoff - Alter? Temperatur Werkstoff - Eigenschaften Werkstoff Werkstoff Der Einfluss vieler Faktoren ist bekannt, aber Unbekannt ist der Einflusses des Werkstoffalters.

6 Versuchsdurchführung: Werkstoffalter Biofilm 1. Künstliche Alterung von Prüfkörpern unter definierten praxisnahen Bedingungen; exemplarisch an EPDM und PEX-b durchgeführt Durchführung bei Bodycote Materials Testing AB (Schweden), Universität Mailand (Italien) 2. Ermittlung der dadurch bedingten Veränderungen der Werkstoffe 3. Bestimmung der Biofilmbildung auf Prüfkörpern aus neuem und künstlich gealtertem PEX-b und EPDM mittels statistischem Multifaktorenversuchsansatz 4. Anschließende Überprüfung der Ergebnisse an realen Situationen In Zusammenarbeit mit prodata, Dresden (Dr. Uhlig) und Dr. Nahrstedt (IWW)

7 1. Künstliche Alterung von PEX-b und EPDM Prüfkörpern Bedingungen vergleichbar Desinfektion und thermischer Beanspruchung Bedingungen 1 ( Schwache Alterung ) Expositionsdauer: 4 Wochen Desinfektionsmittel: 2,5 ppm Natriumhypochlorit Druck: 3 bar Temperatur: 40 C Unter vergleichbaren Bedingungen altert Chlordioxid >> Natriumhypochlorit Bedingungen 2 ( Starke Alterung ) Dauer: 4 Wochen Desinfektionsmittel: 4 ppm Chlordioxid Druck: 4 bar Temperatur: 40 C Durchführung bei der Fa. Bodycote Materials Testing AB in Schweden 7

8 2. Wie ändern sich die Werkstoffeigenschaften durch den Alterungsprozess? Bedingungen 2 Chemische Zusammensetzung: - FT-IR - Oxidation induction time (OIT-Test) Verarmung an Additiven + Veränderung der Polymeranordnung Hydrophobizität: Kontaktwinkelmessung (Gasblase/Wasser) Werkstoff wird hydrophiler Oberflächenstruktur: - Weißlichtinterferenzen / AFM Oberfläche verändert sich wenig, aber Rissbildung setzt ein Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM), Berlin

9 Rissbildung: Oberfläche neuer und alter Werkstoffe Vergrößerung 200 fach Vergrößerung 200 fach neue PEX-b Oberfläche stark gealterte PEX-b Oberfläche 1 mm 1 mm neue EPDM Oberfläche 50 µm stark gealterte EPDM Oberfläche Mikrotomschnitt 10 µm Sowohl bei PEX als auch bei EPDM bildeten sich bei starker Alterung Risse. 9

10 3. Multifaktorenexperiment Die Biofilmbildung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst Statistische Versuchsplanung Multifaktorenexperimente Vorteile: Faktoren, die den Prozess der Biofilmbildung beeinflussen, werden in ihrer Signifikanz und in ihren gegebenenfalls vorhandenen Wechselwirkungen eindeutig erfasst. Erfahrungen zur Biofilmbildung in Trinkwässern unterschiedlichster Qualität fließen gezielt bei der Auswahl der Faktoren ein. Ergebnisse besitzen Allgemeingültigkeit. Nachteile: Praxisnähe ist gering deshalb muss eine Überprüfung der Ergebnisse des Multifaktorenexperimentes unter Praxisbedingungen durchgeführt werden

11 Multifaktorenexperiment zur Biofilmbildung mit neuen und alten PEX-B und EPDM Prüfkörpern Faktoren Werkstoffalter Temperatur Versuchsbedingungen Stufe +1 alt 36 C Versuchsbedingunge n Stufe -1 neu 15 C AOC Gehalt 150 µg/l Acetat-Äquivalente 10 µg/l Acetat-Äquivalente Wasserhärte 3 mmol/l Erdalkalien 1,5 mmol/l Erdalkalien natürlicher Huminstoffgehalt DOC 6 mg/l DOC 1 mg/l ph-wert ph 9 ph 7 Eisengehalt 0,2 mg/l (FeSO 4 x 7 H 2 O) < 0,01 mg/l

12 Multifaktorenexperiment Typ I: Screening mit 8 Faktoren Experime nt Alterung AOC Temperatur Härte Huminstoffe ph-wert Eisengehalt Oberfläche der Prüfkörper mit Biofilm - Bakterien sind hellblau fluoreszierend 7 Tage Auswertung der Experimente mittels: Gesamtzellzahl/cm 2 (Biofilm) mikroskopischem Bild

13 (c) Auswertung der Multifaktorenexperimente (Beispiel 1) PE-Xb-I Biofilm (Bakterien/cm 2 ) 2,5E+07 PEX-b 2,0E+07 1,5E+07 1,0E+07 5,0E+06 0,0E+00 1 neu 0 "Alter" [neu -> alt] 1-1 alt 36 C C 0 "Temperatur" [ 36 C -->15 C] Biofilm ist am höchsten bei neuem Material & bei hoher Temperatur Biofilm ist am niedrigsten bei altem Material & bei hoher Temperatur 13

14 (c) (c) Auswertung der Multifaktorenexperimente (Beispiel 2 + 3) AOC: AOC hoch EPDM mit 1 4,5E+06 4,0E+06 3,5E+06 3,0E+06 2,5E+06 2,0E+06 1,5E+06 1,0E+06 5,0E+05 0,0E+00 1 neu 0 "Alter" [neu -> alt] alt 1-1 EPDM mit W C 0 "Temperatur" [ 36 C -->15 C] AOC: AOC niedrig EPDM mit -1 6,0E+06 5,0E+06 4,0E+06 3,0E+06 2,0E+06 1,0E+06 0,0E neu 36 C C alt 0 "Alter" [neu -> alt] C 0 "Temperatur" [ 36 C -->15 C] Unabhängig vom AOC Gehalt des Wassers wird das neue EPDM bei hoher Temperatur am stärksten besiedelt 14

15 Überprüfung der Ergebnisse mit Multifaktorenexperiment Typ II: Screening mit 3 signifikanten Faktoren Aus den Ergebnissen des Multifaktorenexperiments Screening wurden folgende wichtige Faktoren mit Einfluss auf die Biofilmbildung ermittelt: Temperatur AOC Werkstoffalter Versuc h Multifaktorenexperiment II Temp AOC Alter Tage

16 Gesamtzellzahl (Bakterien/cm²) Multifaktorenexperiment mit 3 signifikanten Faktoren 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 neuer Werkstoff PEX-b alter Werkstoff EPDM PEX EPDM 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 1,00E+02 1,00E+01 1,00E Versuch neues PEX und EPDM Werkstoff wird stärker besiedelt als altes neues EPDM > PEX / altes EPDM < PEX Veränderung durch Altern ist werkstoffspezifisch n=3 16

17 Multifaktorenexperiment mit 3 signifikanten Faktoren Auswertung mit Stavex Software Programm Bakterielle Besiedlung [Balterien/cm²] Bakterien/cm 2 9,0E+06 EPDM 8,0E+06 7,0E+06 6,0E C 5,0E+06 4,0E+06 3,0E+06 neu 1 neu Werkstoffalter 0 alt alt-1 15 C 15 Temperatur 0 [ C] Versuc h Bei niedrigem AOC Gehalt eines Trinkwassers (< 10 µg/l) wird neues EPDM im Warmwasser am höchsten besiedelt Alter wirkt sich (hier) stärker aus als Temperatur Temp AOC Alter

18 4. Überprüfung der Ergebnisse aus Multifaktorenexperimenten an realen Trinkwässern unter Langzeitbedingungen im Durchfluss Gewählt wurden die Bedingungen, die zu den größten Unterschieden in der Biofilmbildung führten: Temperatur (Kalt- bzw. Warmwasser) AOC (niedrig) Werkstoffalter Kaltwassersystem (8 C) Wasserwerk Duisburg Wittlaer, AOC-armes, nicht gechlortes Trinkwasser Warmwassersystem (37-38 C) Trinkwasser- Installation IWW, AOC-armes, nicht gechlortes Trinkwasser 12 Wochen 18

19 Überprüfung an realen Wässern : Biofilm nach 1 Woche EPDM neu, 37 C neu, 8 C alt, 37 C alt, 8 C 3,81E+07 6,07E+05 6,36E+06 6,65E+04 PEX-b 2,63E+07 7,43E+04 6,82E+06 2,77E+04 Biofilmausbildung ist wiederholt sehr unterschiedlich (3 log Stufen)

20 Biofilm (Bakterien/cm²) Biofilm (Bakterien/cm²) Biofilm (Bakterien/cm²) Überprüfung an realen Wässern : Biofilmentwicklung EPDM Bakterien/cm 2 1,00E+08 1,00E+07 1 Woche 1,00E+08 1,00E+07 4 Wochen 1,00E+08 1,00E Wochen 1,00E+06 1,00E+06 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+05 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+04 1,00E+04 1,00E+03 1,00E+03 1,00E+03 1,00E+02 1,00E+02 1,00E+02 1,00E+01 1,00E+01 1,00E+01 1,00E+00 neu, 37 C neu, 8 C alt, 37 C alt, 8 C 1,00E+00 n=3 neu, 37 C neu, 8 C alt, 37 C alt, 8 C 1,00E+00 n=3 neu, 37 C neu, 8 C alt, 37 C alt, 8 C n Höchste Besiedlung bei neuem Material im Warmwassersystem Geringste Besiedlung bei altem EPDM im Kaltwasser Ergebnisse aus dem Multifaktorenexperiment bestätigt

21 Gesamtzellzahl (Bakterien/cm²) Ergebnisse: Kinetik Besiedlung EPDM 1,00E+08 1,00E+07 neues EPDM altes EPDM neu, 37 C neu, 8 C alt, 37 C alt, 8 C 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 1,00E+02 1,00E+01 1,00E Zeit (Wochen) Unterschiede innerhalb der Werkstoffe werden im Laufe der Zeit geringer Biofilmkonzentration wird im Laufe der Zeit geringer

22 Risse - ein hygienisches Risiko? altes EPDM altes PEX-b In den Rissen findet kaum Besiedlung statt Risse werden am Rand und z. T. auch innen besiedelt 22

23 Zusammenfassung Der biologisch verfügbare Nährstoffgehalt stellt den wesentlichen Faktor bei der Besiedlung der Werkstoffe dar. Der Faktor Werkstoffalter am Beispiel PEX-b und EPDM hat einen signifikanten Einfluss auf die Biofilmbildung gezeigt. Gealterte Werkstoffe (PEX-b / EPDM) stellen weniger biologisch verfügbare Stoffe als neue Werkstoffe zur Verfügung. Signifikanten Einfluss haben auch Temperatur und biologisch verfügbarer Nährstoffgehalt des Wassers (AOC). Geringeren Einfluss haben Wasserhärte und Huminstoffgehalt. Temperatur hat dann einen Einfluss, wenn Nährstoffe aus dem Wasser oder dem Werkstoff zur Verfügung stehen. Die Qualität des Werkstoffes wirkt sich bei Wässern mit niedrigem Nährstoffgehalt stärker aus als bei Wässern mit hohem Nährstoffgehalt.