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4. Ergebnisse - mediaTUM - Technische Universität München

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1. ELEKTROLYT REAKTOR EINGANG gt H2O Abbildung 20 Darstellung eines Einzel Elektrodenpaares mit Edukt und Produktstrom Fottner 2006 3 2 Reaktorgeometrie Darstellung und Charakteristik fr herer Geometrien Vor Beginn der hydraulischen Optimierungen auf Laborebene s Punkt 4 2 wurden bereits diverse Anl ufe get tigt eine ad quate Reaktorgeometrie zur Implementierung von BDD Elektroden zu konzipieren Alle diese Vorl ufer hatten folgende Gemeinsamkeiten e Materialien Edelstahl 1 4404 PVDF EPDM e Maximaldruck 10 bar e Maximaltemperatur 35 C Hei wasser und Dampfbeaufschlagung in Einzelf llen e ber Tri Clamp Stutzen integrierter Temperatursensor Pt100 Systemschutz s Abbildung 21 blau e Str mungsw chter direkt vor oder nach der Elektrolysezelle Systemschutz 58 Material und Methoden Rundreaktor ohne Einbauten Pe Det Abbildung 21 Rundreaktor erste Reaktorgeneration Der erste Reaktor im Feld war ein Rundreaktor g nzlich ohne Einbauten Die Anstr mung erfolgte hier frontal auf die Kanten der Elektrodenplatten in Abbildung 21 braun Durch die frontale Anstr mung und eine ungen gende mechanische Stabilit t infolge fehlender Fixierung wurden die Elektrodenplatten zum Schwingen angeregt Diese Schwingungen verursachten Mikro Risse den Schwei n hten der Elektroden Der Deckelflansch
2. 34 2 68 2 102 mA cm2 136 mA cm2 Abbildung 73 Stromausbeute in Abh ngigkeit der Reynoldszahl 1 Reaktorstudie Trotz der im Mittel eher ung nstigen Regressionskoeffizienten l sst sich eine tendenzielle logarithmische Abh ngigkeit feststellen Die Stromausbeute kann jedoch bei einer berschreitung einer Reynoldszahl von 3 x 10 nicht mehr bedeutend gesteigert werden die Kurve flacht stark ab und geht in eine Plateauphase ber 4 2 3 Optisch zug nglicher Reaktor im Praxisma stab Konstruktion und Bau Nach einer intensiven Konstruktionsphase ergibt sich die in Abbildung 76 einsehbare Reaktorvariante die durch ein Baukastensystem verschiedene Elektroden breiten aufnehmen kann von 4 Seiten anstr mbar ist und ansonsten dem Innenraum der 1 Reaktorstudie nachempfunden ist Ein Druckraum war aufgrund der minderen Druckbeaufschlagung nicht notwendig Ebenso entf llt die konzentrische Einf delung da die Stabilit t allein durch die Seitenw nde realisiert wird Im Vergleich zur 1 Reaktorstudie hat sich zus tzlich eine gravierende hydraulische nderung in Form einer Str mungskonzentration ergeben Das bereits relativ eng anliegende Rechteck wird nochmals verengt sodass die Elektrode direkt mit den PVDF Muttern an der Au enwandung anliegt Damit wird der Stabilit tsaspekt gewahrt und ein ann hernd gleichm iger Abstand Platte Platte und Platte Au enwandung
3. 0 00003 0 00005 Mittelwert Differenz 0 0003 Phase Beschreibung prozentuale Differenz statistischer Wert 0 0747 Gravimetrie g Probe 1 Probe 2 Probe 3 Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Bewertungs kriterien werkstofftypisch Glanz gr tenteils erhalten keine Verf rbungen Schrift nicht angegriffen keine sp rbare Verspr dung Optik Gesamtheit unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Teflon Masse Mittelwert 0 8898 0 8690 0 8657 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00008 0 8916 0 00010 0 8706 0 00006 0 8671 Masse STABWN 0 00004 0 00001 0 00002 Mittelwert Differenz 0 0016 Phase Beschreibung prozentuale Differenz statistischer Wert 0 5376 Gravimetrie g Probe 1 Probe 2 Probe 3 Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Bewertungs kriterien werkstofftypisch Glanz gr tenteils erhalten diverse dunkle Ablagerungen keine Schrift vorhanden deutliche Verspr dung Bruch einer Dichtung Optik Gesamtheit unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh FFKM Masse Mittelwert 2 1668 1 9972 2 0004 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00003 2 1668 0 00007
4. Betriebszust nde Spr hkugel Schwallreiniger Temperatur 20 C Sumpfvolumen 0 5 m Volumenstrom m h Oe D N DK 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Drehzahl Spr hkugel 8 Schwallreiniger Abbildung 103 Vergleich Betriebszust nde Spr hkugel und Schwallreiniger Riboflavintest und Ermittlung der Penetration Der der Betriebspunktfestlegung folgende Riboflavintest soll einerseits Aufschluss ber die Qualit t der Oberfl chenreinigung geben andererseits das Auffinden von nicht erreichbaren Stellen im Tank erm glichen Mit den Ergebnissen k nnen hygienische Schwachstellen und die Reinigungsleistung der beiden Armaturen ermittelt und gegen bergestellt werden Alle Versuche mit Riboflavin wurden mit Schrobenhausener Leitungswasser und ohne den Zusatz von Reinigungsmitteln bzw Ozoneintrag ausgef hrt Die ersten Riboflavintests werden im Kreislauf mit Einsatz der Spr hkugel mit 12 m h und 200 I Sumpfprodukt durchgef hrt Da aber bei diesen Versuchen keinerlei Fluoreszenz sichtbar war wurden f r die anschlie ende Testreihe immer geringere Volumenstr me und eine Reinigungsdauer von lediglich 60 Sekunden im Durchlauf gew hlt um brauchbare Messergebnisse zu erhalten Jede Testreihe wurde nach folgendem Schema ausgef hrt 1 Ansetzen der Testl sung IL Durchsp len des Tanks IL Aufbringen der Testl sung im Sumpf und einem Teil des Zylinderbereichs siehe Abbildu
5. 0 0 52 10 0 40 20 0 32 30 0 25 40 0 21 Mit einem elektrochemischen Potential von Eo 2 07 Volt pH 0 ist Ozon neben Fluor das st rkste bekannte Oxidationsmittel Das Oxidationspotential ist jedoch stark pH abh ngig Eo 1 24 Volt bei pH 14 Gasf rmiges Ozon kann in Kontakt mit organischen Stoffen zu explosiven Reaktionen f hren da es zwar selbst unbrennbar ist aber die Verbrennung anderer Substanzen f rdert Aufgrund dieser Reaktivit t kann es sowohl zur Entkeimung als auch zur Entf rbung Desodorierung oder zum CSB AOX Abbau verwendet werden Palitzsch et al 2005 Ostwald 2009 Ozon ist ein in geringer Konzentration farbloses Gas in hohen Konzentrationen ist eine bl uliche F rbung des Gases zu erkennen mit einem stechenden Geruch dessen Schwellenwert beim menschlichen Geruchssinn im Allgemeinen bei Konzentrationen zwischen 20 bis 50 ug l liegt Der fr here MAK Wert lag beim ca 10fachen Wert der Geruchsschwelle also bei etwa 0 2 mg m Umgebungsluft Der Vollst ndigkeit halber sei erw hnt dass Ozon ber eine kritische Temperatur von 12 1 C einen kritischen Druck von 54 6 und eine W rmekapazit t von 144 7 kJ mol verf gt Meyer 1987 Leitzke 2003 Die Best ndigkeit des Ozons in der Gasphase nimmt wie bei allen instabilen chemischen Verbindungen mit steigenden Temperatur durch die verst rkte Brown sche Molekularbewegung den damit vermehrten Molek lst en und einer h h
6. 5 H 5 o N gt N 4 6 80 Zeit 80 160A e 240A E 320A Abbildung 97 Vergleich Ozonabbau 1 Phase bei unterschiedlichen Startkonzentrationen Ozonabbauphase ohne Kreislauff hrung Phase II Abbau Im letzten Abschnitt 100 min 150 min wird die Demonstrationsanlage komplett ausgeschaltet also ebenfalls die Umw lzpumpe Im gesamten System herrscht nun der gleiche Druck das Wasser befindet sich im Tanksumpf und kann ber Probenahmeventil an der Ozonanlage zum Probezug entnommen werden Ozonabbau 2 Phase diverse Startkonzentrationen Vergleich Stromvorgabe 0 A Temperatur 19 21 Volumenstrom 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m3 Druckverlust 1 5 bar Spr hkugel y 3 7813e9 023x R 0 9948 y 1 594e00 m R 0 9802 0 9265e 2 018x R 0 9549 Ozonkonzentration mg l y 54 803 0 076 R 0 8929 110 120 130 Zeit min 80 A 160A 240A m 320A Abbildung 98 Vergleich Ozonabbau 2 Phase bei unterschiedlichen Startkonzentrationen 137 Ergebnisse In diesem Abschnitt folgt der Ozonabbau naturgem einer abnehmenden Exponentialfunktion s Abbildung 98 Das Wasservolumen wird von keinerlei u eren Faktoren mehr beeinflusst und das gel ste Ozon wird degradiert Die aus diesen Zusammenh ngen resultierenden weiterf hrenden Berechnungen sind wiederum in der Disk
7. Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 5 315 Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 5 179 Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 5 185 ff Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 S 70 Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 S 411 Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 5 182 Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 5 410 f Literaturverzeichnis Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 S 68 Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodensch
8. 135 ABBILDUNG 96 VERGLEICH OZONAUFBAU BEI UNTERSCHIEDLICHEN STROMST RKEN nseeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 136 ABBILDUNG 97 VERGLEICH OZONABBAU 1 PHASE BEI UNTERSCHIEDLICHEN STARTKONZENTRATIONEN 137 ABBILDUNG 98 VERGLEICH OZONABBAU 2 PHASE BEI UNTERSCHIEDLICHEN STARTKONZENTRATIONEN 137 ABBILDUNG 99 VERGLEICH OZONAUF UND ABBAUVORG NGE BEI UNTERSCHIEDLICHEN 1 138 ABBILDUNG 100 VERGLEICH OZONABBAUPHASE BEI NORMAL UND 139 ABBILDUNG 101 BETRIEBSZUST NDE SPR HKUGEL neeeeenenenenenenenenenenennnenenenenennnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenensnenenenanene 141 ABBILDUNG 102 BETRIEBSZUST NDE SCHWALLREINIGER 142 ABBILDUNG 103 VERGLEICH BETRIEBSZUST NDE SPR HKUGEL UND SCHWALLREINIGER 143 ABBILDUNG 104 BENETZUNGSSCHEMA 144 ABBILDUNG 105 VERGLEICH OZONAUFBAU BEI SPR HKUGEL UND SCHWALLREINIGER BEI 240 145 ABBILDUNG 106 AUFNAHME F R DIE BERSTR MUNGSVERSUCHE 146 ABBILDUNG 107 BESCHICKTE METALLPL TTCHEN F R DIE 147 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 108 OBERFL CHENRAUIGKEIT DER PL TTCHEN F
9. el SpE GE Z wo as i IL 2 3 Ja 300 00 an A u a ken Abbildung 68 und 69 D senbauteil konischer Auslauf links und Carnot Sto rechts 108 Ergebnisse In der Abstr mung des Reaktors kann durch den zus tzlichen Verbau einer D senarmatur eine Effizienzsteigerung erfolgen Durch Verschiebung der Bl schengr enverteilung in Richtung gel stes Ozon bietet sich die M glichkeit etwaige Ozon bersch sse aus der Gasphase wiederum in L sung zu bringen und somit die Gesamteffizienz zu steigern Hierf r werden zwei versch D senvarianten verwendet s Abbildung 68 und 69 die auf unterschiedlichen Ausstr mungen basieren Zum einen wird die Verfahrensvariante des Carnot schen Sto es zum anderen ein konischer Ausfluss gew hlt Durch die jeweilige Vergr erung der Armaturbohrung und Umrechnung der Vorgaben auf den resultierenden Druckverlust ergibt sich unten stehendes Diagramm Ozonleistung in Abh ngigkeit der D senarmatur und Ap Volumenstrom 4 l min Stromst rke 2 5 A Temperatur 15 7 C Leitf higkeit ca 620 uS cm TY EI EI 3 2 N 20 40 60 80 100 120 140 Druckverlust mbar Carnot Sto konische Armatur Abbildung 70
10. Abbildung 110 Suspensionstest E coli im optisch zug nglichen Laborreaktor In Abbildung 111 l sst sich deutlich erkennen dass E coli bereits nach sehr kurzer Zeit 3 Minuten um 7 10er Potenzen dezimiert wird Die gleiche Desinfektionswirkung wird bei aureus nach 5 10 Minuten und bei S cerevisiae nach 30 min erreicht F r die Abt tung von 4 log Stufen der Schimmelpilze werden bereits 60 min ben tigt 151 Ergebnisse Zeitabh ngige Mittlere Logarithmische Keimzahlreduktion mobile Phase Stromvorgabe 5 A Temperatur 17 C Volumenstrom 4 I min Puffervolumen 2 Leitf higkeit ca 620 uS cm A niger E E coli S aureus S cerevisiae Abbildung 111 Zeitabh ngige mittlere logarithmische Keimzahlreduktion mobile Phase Im Vergleich zur Desinfektion von suspendierten Keimen ndert sich die Verfahrensweise bei auf Tr germaterial aufgetragenen und angetrockneten Keimen Zwar wird die Laboranlage immer noch mit dem gleichen Volumenstrom und identischen Puffervolumina Wasserqualit ten und Stromst rken betrieben jedoch wird keine Keimsuspension hergestellt sondern je 1 ml auf Metallpl ttchen aufgetragen und ber Nacht getrocknet Die Wiederfindungsrate wird in diesem Fall zeitabh ngig bestimmt und jeweils gegen die Keimzahlen der Pl ttchen nach den Desinfektionszyklen gerechnet sie befindet sich in den Versuchen jedoch immer im Bereich von 70 100 de
11. a Einsatz von UV Licht e Wirksamkeit erwiesen Wedeco AG 2009 e e Widerspruch zum Hygienic Design Grundgedanken e Personalgef hrdung b Feinvernebelung von Wasser bis zur vollst ndigen Absorption Gasw sche e Wasser wiederverwendbar daher relativ billig e Zus tzliche Einbauten e Langwieriger und materialintensiver Prozess L slichkeit von Ozon in Wasser e R ckverkeimungsgefahr 196 Diskussion der Ergebnisse c Verdr ngung mittels Sterilluft e Relativ kostenintensiv e Vermischungseffekten nur geringf gige Wirkung und damit lange Ausfallzeit d Verdr ngung mittels Kohlendioxid e F r Brauereien relativ billig e Bei Vermischungseffekten wiederum nur geringf gige Wirkung und damit lange Ausfallzeit e Bei langsamer berschichtung des Kohlendioxid geringf gig niedrigere Dichte als Ozon gleichzeitig bereits Tank vorgespannt und bereit zur n chsten Bef llung e Austreiben des Ozons in die Atmosph re Die Verfahrensweise der berschichtung mit Kohlendioxid muss zwar definitiv noch ausgiebig getestet werden aber dennoch erscheint die letzte Alternative als die beste und effektivste Eine Sammelentgasungsleitung abgehend sowohl vom Desinfektionsmodul als auch vom zu behandelnden Tank ber das Brauereidach oder zumindest eine erh hte Position am Geb ude gen gt hierf r Marginale Zeitverluste durch die Verlangsamung des Wiederbef llungsprozesses m ssen
12. der Vorstellung entspricht Hierzu wird mittels Endoskopie der Druckinnenraum nach Entleerung berpr ft s Abbildungen unten Bei der Endoskopie konnte keine Deformation des Innenraumes festgestellt werden s Abbildung 89 ebenso waren s mtliche Oberfl chen frei von mikrobiellem Bewuchs s Abbildung 89 und Abbildung 90 Die einzige Auff lligkeit stellen gelbliche Verf rbungen im Bereich der Kl pperbodenschwei n hte dar die vermutlich von Ablagerungen des Natriumbisulftits oder seiner Reaktionsprodukte stammen s Abbildung 91 F r die Stabilit t des Reaktors stellt dies aber kein Problem dar 123 Ergebnisse Abbildung 89 90 und 91 Endoskopiebilder Druckraum 1 Reaktorstudie Zur hygienischen Beurteilung von Fl chen eignet sich die berpr fung der visuellen Sauberkeit nur bedingt Zur genaueren Beurteilung sind mikrobielle Kulturverfahren oder Schnellverfahren erforderlich Deutsches Institut f r Normung e V DIN 2009 Deshalb wird der Reaktordruckraum mit Hilfe eines ATP Tests auf seine mikrobiologische Kontamination hin berpr ft Mittels Doppelbestimmung und Anwendung der Student t Verteilung konnte ein Mittelwert von 32 5 4 3 rlu eruiert werden was einem Wert weit unter dem von Trinkwasser ca 200 rlu entspricht Im Zusammenhang mit der optisch belagfreien Oberfl che ist das mikrobiologische Ergebnis nach 6 Monaten Standzeit somit einwandfrei Ein weiterer Faktor ist die potentielle Tr bung
13. 0100 125 0 70 A Ee P 0 40 gt 0 35 EES 0 30 12 345 8 29 40 11 12 43 44 15 46 17 19 20 St mungsgeschwindigkeit cm s Abbildung 8 Ozonleistung in Abh ngigkeit von Leitf higkeit und Str mungsgeschwindigkeit Condias GmbH 2007 Somit kostet jedes Gramm Ozon elektrolytisch in Reinstwasser erzeugt bei einem f r die Industrie realistischen Preis von 11 ct kWh 1 8 ct 1 kg bel uft sich entsprechend auf 17 60 Ziel der hydraulischen und verfahrenstechnischen Optimierungen in dieser Arbeit ist es die spezifische Leistung f r die Ozonerzeugung in Leitungswasser diesem Wert anzun hern Desinfektionsnebenprodukte Die bereits beschriebene Unterdr ckung von Desinfektionsnebenprodukten die bei der Verwendung von konventionell also mittels der stillen Entladung hergestelltem Ozon entstehen k nnen gilt als einer der Hauptvorteile der diamantbeschichteten Elektroden Wird Ozon auf die herk mmliche Art aus der Gasphase heraus hergestellt so k nnen wie erw hnt Stickoxide und deren komplement ren S uren entstehen Bei der Ozongenerierung direkt aus dem Wasser kann dieses Nebenprodukt nur zu einem gewissen Anteil entstehen da sich in Wasser nur in etwa die doppelte Konzentration an Stickstoff im Vergleich zu Sauerstoff einstellen kann Stickstoff verf gt nur ber einen in etwa halb so gro en Bunsen schen Adso
14. Aufgrund der ann hernd vollst ndig fehlenden Leitf higkeit von vollentsalztem Wasser liegt an den Elektroden eine h here berspannung an der Elektrolysestrom orientiert sich fast ausschlie lich direkt zur gegen berliegenden Elektrode und muss somit das hochohmige Feststoffpolymer passieren Dies f hrt ebenfalls zwangsl ufig zu einer leicht erh hten Ozonkonzentration Mangold et al 2011 Durch den linearen Zusammenhang zwischen Leitf higkeit und Ozonleistung l sst sich die Elektrodenperformance f r ein breites Spektrum der Leitungsw sser in Brauereien abbilden Die ann hernd exakt logarithmische Aufbaufunktion der Ozonkonzentration in zyklischen Laboraufbauten gibt einen guten Aufschluss ber die sp teren Versuche in realen Systemen wie sie bei der Tankdesinfektion durchgef hrt werden Dieser mathematische Zusammenhang l sst zudem darauf schlie en dass mehrere Faktoren im Zusammenspiel eine vielleicht sogar lineare oder zumindest h here Konzentrationssteigerung vermeiden Im einfachen Durchlauf w rde innerhalb derselben Zeit deutlich mehr Ozonmasse in L sung gehen Als vermutlich wichtigster Faktor ist die Halbwertszeit aufzuf hren deren Einfluss auch bei einer relativ hohen Umw lzzahl von 2 min sp rbar ist Eine weitere antagonistische Gr e ist die Abreaktion eines Teils des Ozons an der kathodisch gepolten Stackseite Hier k nnen bereits generierte Ozonmolek le reduziert werden Fabjan 1975 Die eingesetz
15. 1 9973 0 00002 2 0005 Masse STABWN 0 00004 0 00000 0 00009 Mittelwert Differenz 0 0000 Phase Beschreibung prozentuale Differenz statistischer Wert 0 0055 Gravimetrie g Probe 1 Probe 2 Probe 3 Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Bewertungs kriterien werkstofftypisch Glanz erhalten keine Verf rbungen Schrift erhalten Spr digkeit permanent vorhanden keine Weichmacher Optik Gesamtheit unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Masse Mittelwert 1 8885 1 8057 1 7223 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00003 1 8885 0 00052 1 8058 0 00021 1 7223 Masse STABWN 0 00011 0 00028 0 00026 Mittelwert Differenz 0 0000 prozentuale Differenz 0 0075 Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten werkstofftypisch Glanz erhalten keine Verf rbungen Schrift erhalten keine Verspr dung
16. Als Resultat der mikrobiologischen Versuche sollte f r einen 22 m Tank eine Stromst rke von 320 A ber 40 Minuten hinweg mit Sicherheit f r eine Desinfektion ausreichen Geht man davon aus dass mit dem 1 Reaktorkonzept ca 50 der Nominalleistung der Elektroden erreicht werden so liegt die Gesamt Ozonmasse pro Stunde bei etwa 8 g also bei 40 Minuten bei etwa 5 66 g Am Ende der Desinfektion liegt die Ozonkonzentration bei 1 1 mg l was bei 500 Litern Puffervolumen 550 mg Ozon entspricht Die Verluste ber die Halbwertszeit sind aufgrund der hohen Umw lzrate und des immer wieder erfolgenden Austauschs der Gasfracht eher gering daf r muss die kathodische Abreaktion die Reaktion mit der Organik im Tankinneren und im Rinswasser und der Einfluss der Scherkr fte in der Pumpe ber cksichtigt werden welche in Summe auf ca 40 der Gesamterzeugung gesch tzt werden Es bleiben damit die bereits in Punkt 4 4 1 festgestellten knapp 50 die bei einem einfachen Durchlauf durch den zu desinfizierenden Tank ausgasen Gerundet bleiben ca 2 8 g bei einem Tankvolumen von 21 5 m also 0 13 g m und damit weit ber den MAK Richtlinien und sicherlich produktsch digend Damit bleibt in jedem Fall nur der Gasabschluss des Systems und eine Verdr ngung bzw Degradierung dieser Masse um die baldige Wiederbef llung des Tanks zu erm glichen Hierf r kommen mehrere Methoden in Frage die im Folgenden mit ihren jeweiligen Vor und Nachteilen aufgelistet sind
17. Elektroden an Umw lzung an SZ Ki E 20 z 0 N 5 gt E N 80 90 100 10 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Zeit min berdruck Normaldruck Abbildung 99 Vergleich Ozonauf und abbauvorg nge bei unterschiedlichen Gesamtvorlaufdr cken Wie aus Abbildung 99 hervorgeht spiegelt sich dieser berdruck in h heren Ozonkonzentrationen wider W hrend bei Normaldruck nur in etwa 0 8 mg l erreicht werden f hrt der berdruck von 0 3 bara zu einer Maximalkonzentration von knapp 1 1 mg l Diese Diskrepanz setzt sich ebenfalls in beiden Ozonabbauphasen fort beide Male sind 138 Ergebnisse die Ozonkonzentrationen parallel und quidistant nach oben verschoben In der Diskussion folgt die berpr fung der Gesetzm igkeiten der Gasl slichkeit Halbwertszeitbestimmung bei Normal und berdruck Abschlie end zu den Versuchen in realen zyklischen Systemen werden die Halbwertszeiten der Ozonkonzentrationskurven bei Normaldruck und berdruck berechnet und miteinander verglichen Die Graphen mit zugeh riger Gleichung werden nochmals detailliert in Abbildung 100 dargestellt Ozonabbauphase II Vergleich Normaldruck berdruck Stromvorgabe 0 A Temperatur 19 21 Volumenstrom 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m3 Gesamtvorlaufdruck 1 5 1 8 bar Spr hkugel kg c 5 5 o N gt
18. Probe 1 Probe 2 Probe 3 statistischer Wert Oberfl chenrauhigkeit um Probe 1 Probe 2 Probe 3 unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Masse Mittelwert 60 8455 60 0702 60 6955 R Mittelwert 0 421 0 413 R STABWN R Mittelwert 0 019 0 014 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00000 60 8461 0 00020 60 0701 0 00015 60 6956 R STABWN Rmax Mittelwert Rmax STABWN R Mittelwert Masse STABWN Mittelwert Differenz 0 00007 0 00007 0 00018 R STABWN R Mittelwert R STABWN Phase Beschreibung unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh prozentuale Differenz statistischer Wert Ferrit Mittelwert 6 Ferritgehalt Rmax Mittelwert Probe 1 Probe 2 Probe 3 Ferrit STABWN Ferrit Mittelwert Ferrit STABW Mittelwert Differenz Rmax STABWN Bewertungs kriterien Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Optik Gesamtheit werkstofftypisch Leicht gelblicher Stich matte Oberfl che prozentuale Auff lligkeiten Differenz Abbildung 132 Gesamtauswertung PVDF e kein Massenverlust e Relativ starke Vergr berung der Oberfl che e Optisch keine Ver nderung an der Referenzoberfl che wahrnehmbar e Vermutlich Oxidation von Zus tzen e Ausschleu
19. Theoretische Grundlagen Tabelle 8 Eignung von UV Bestrahlung thermischer Desinfektion und Filtration Desinfektionsmittel bzw verfahren UV Licht Merkmal Art des Verfahrens physikalisch physikalisch mechanisch physikalisch Membranfilter Vakuum UV UV A UV B Hei wasser Abflammen Tiefenfilter Generelle Eignung bedingt vorhanden vorhanden nicht vorhanden OF Desi Hygenic Design photochemische Reaktion mit Nuklein s uren DNA Zersetzung Unterbindung der Vermehrungsf higkeit Thermische Desinfektion Irreversible 8 Gr enauschluss Denaturierung von 8 Adh sion Zellwandproteinen Trinkwasser Hauptanwendungs gebiete Trink Reinst Abwasser aufbereitung OF Desi Produkt 1557 aufbereitung Pasteurisation KZE Produktfiltration Anwendungs Dosis f r 4 log Stufen o 5 gt 85 MO abh ngig entf llt konzentration 400 J m Beachtung Transmission SAK Tr bung F rbung etc Hydraulik keine Chemikalie Preis hoch hoch mittel m gliche entfallen entfallen Desinfektions nebenprodukte Verbrennungs Verbr hungsgefahr Anwendungs bezogene Besonderheiten Hygenic Design Temperaturverteilung keine Chemikalie passiver Vorgang Trihalogenmethane Nitrit organische S uren Energieintensive Strahlung bei System ffnung Quecksilberstrahler Gef hrdungs potential Mensch und Umwelt entf llt Gesch ksbeein Ges
20. e Umpolzeit 4 Minuten e Minimierung der Temperaturunterschiede Versuchsdurchf hrung wegen Au enaufstellung witterungsabh ngig e Reinigungsarmatur Spr hkugel aufgrund niedriger Streuung der Ozonwerte 5 4 4 2 e Der Gegendruck bzw bei atmosph rischem Tankinnendruck auch der Druckverlust der Armatur in der Vorlaufleitung stellt sich aufgrund der Reinigungsarmatur automatisch ein Abbildung 95 zeigt die Variation der Stromst rke die Versuche werden unter Normaldruck im Tank durchgef hrt Der Versuch kann in drei Teilbereiche aufgegliedert werden die im Folgenden einzeln und detailliert dargestellt werden Ozonauf und abbau variable Stromst rke Vergleich Stromvorgabe 80 160 240 320 A Temperatur 19 21 C Volumenstrom 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m Druckverlust 1 5 bar Spr hkugel Ozonaufbau Elektroden an Ozonabbau Elektroden aus Ozonabbau Elektroden aus Umw Umw lzung an Umw lzung aus S E 5 5 N N Zeit min 320A 240A 160A 80 Abbildung 95 Vergleich der Ozonauf und abbauvorg nge bei verschiedenen Stromst rken Ozonaufbau Im ersten Abschnitt von O bis 62 min sind sowohl die Umw lzpumpe als auch die Elektrodenstacks eingeschaltet Die Pumpe wird auf einen konstanten Volumenstrom von 12 m h Wasser s 4 4 2 eingestellt Die jeweils verwendete Gesamtstromst rke wird prop
21. was einer immensen Vergr berung der urspr nglich molekularen H rtebildner Fraktionen entspricht Durch die Anlagerung und das sp tere Abplatzen dieser Agglomerate bei der Umpolung erfolgt eine Vergr berung des Dispersit tsgrades d h dass die Partikel in ihrer Gesamtheit an Volumen zunehmen Dementsprechend wird die spezifische Oberfl che der Partikel geringer was eine erneute L sung der Carbonate im Wasser verz gern oder z B bei einer nachgeschalteten Filterapparatur zum Teil verhindern kann Sommer 1992 In Abbildung 18 sieht man eine REM Aufnahme der Kalkanlagerungen direkt an einer BDD die haupts chlich Calcium beinhaltenden Kalkpartikel befinden sich noch in der Gr enordnung von 2 um are Le AccV Spot Magn Det WD Gg Ess 100 um 20 0 5 0 662x SE 96 18 CRB Analyse Service GmbH Abbildung 17 REM Aufnahme von Kalkagglomeraten Becker et al 2008 51 Theoretische Grundlagen SpotMagn Det WD Exp 2 20 0 kV 2 0 10000x SE 10 4 19 F516_033 Abbildung 18 REM Aufnahme einer verkalkten Elektrode Mangold et al 2011 Hartes Wasser beg nstigt nicht nur die Bildung von Kalkablagerungen auf den Elektroden Carbonate und Hydrogencarbonate vermindern zudem Entkeimungsleistung Die von BDD Elektroden ausgehende desinfizierende Wirkung beruht bekanntlich nicht nur auf der direkten Reaktion von Ozon sondern auch auf der Bildung der Hydroxyl Radikale die sowohl anodisch als Vorstufe a
22. 140 150 Zeit berdruck mNormaldruck Abbildung 100 Vergleich Ozonabbauphase II bei Normal und berdruck Augenscheinlich liegt die Ozonkonzentration bei berdruck permanent deutlich h her als die bei Normaldruck Auff llig ist dass der Abstand der beiden Kurven ann hernd identisch ber die gesamte Abbauphase verl uft Die Berechnung der Halbwertszeit erfolgt ber die Umrechnung der Modellfunktionen und ergibt folgende Werte Tabelle 32 Halbwertszeitberechnung bei Normal und berdruck Druck 0 3 atm Gleichung 18844 3 0775 e M Ansatz HWZ 0 5 e 12 0021 HWZ 57 76 min 33 01 min Die Halbwertszeit bei 0 3 bar berdruck ist ann hernd doppelt so hoch wie die Halbwertszeit bei Normaldruck 139 Ergebnisse 4 4 2 Auswahlverfahren der Reinigungsarmatur Im nachfolgenden Abschnitt werden die Eigenschaften einer statischen Spr hkugel und eines Schwallreinigers in Bezug auf die Verwendbarkeit bei der Desinfektion von elektrolytisch generiertem Ozon ermittelt und miteinander verglichen Zun chst werden die Betriebszust nde der Umw lzpumpe bei Verwendung der beiden Reinigungsarmaturen aufgenommen und gegen bergestellt Anschlie end wird mittels Riboflavintest die Reinigungseffizienz ermittelt bevor die jeweiligen Ozonaufbaukurven ermittelt werden Die Desinfektion eines Versuchstanks bei einer definierten Verkeimung wird abschlie end in den
23. DESINFEKTION Pumpe POOL bei Automatik AUS Regelung Pumpe POOL Druck Regeldruck 0 0 bar 0 0 bar Regelmenge RL 0 0 gt 0 0 Farameter Regler Druck Regler Menge Abbildung Anhang 7 Einstellungsfenster Pumpe Ef SIMATIC WinCC flexible Runtime SIMATIC PANEL AUTO Hanc BEE WRN ALm Betriebsart EEE DESINFEKTION AUS STATUS SERWICE Abbildung Anhang 8 Fenster Betriebsart Anhang Hl SIMATIC WinCC flexible Runtime SIMATIC PANEL AUTO HAME DESINFEKTION Einstellung Pumpe 01 3etriebsstunden ler Schreiber Benutzer Kennwort Abbrechen STATUS SERWIE Abbildung Anhang 10 Eingabe Benutzer und Kennwort Anhang El SIMATIC WinCC flexible Runtime ER SIMATIC PANEL Auto HAND DESINFEKTION 2 ALM BETRIEBSART STOR TREND SERICE Abbildung Anhang 11 Einzel Pop up zur Bedienung der Generatoren SIMATIC WinCC flexible Runtime AUTO HAND DESINFEKTION Auswahl Parameter Generator Parameter Aufn Umpolzeit LST TTT 2 Alarme Strom Spannung Rampe Strom Abbildung Anhang 12 Parameter Generator Anhang Hl SIMATIC WinCC flexible Runtime SIMATIC PANEL AUTO HAND DESINFEKTION WEM ALM Farameters tze Strom Spannung Generator 1 I min I max Automatik 004 app a
24. Desinfektion 0 0 40 0 10 00 meh Mindest Durchflu f r Start 0 20 Rampensteigung 0 As Abbildung Anhang 13 Parameters tze Automatik Desinfektion Hl SIMATIC WinCC flexible Runtime AUTO HAND DESINFEKTION Konfiguration Umpolzyklus Generator 1 Umpolsch tz links Umpolsch tz rechts ch Umpolzeit Ist 0 0 min 0 0 mir Umpolzeit Soll 4 mir 4 mir Abbildung Anhang 14 Eingabefenster Umpolzyklus Anhang Hl SIMATIC WinCC flexible Runtime SIMATIC PANEL AUTO HAND DESINFEKTION Alarm Strom Spannung Generatori soll 0 0 A Spannung 0 0 vw Strom 0 0 Mindeststraomn A0 a Zeit sek Sall Ist 3bWr 2 0 A Zeit min Min Spannung 40 M zejt min Mas Spannung 25 0 WM Zeit min Abbildung Anhang 15 Alarme Strom Spannung Hl SIMATIC WinCC flexible Runtime AUTO HAND DESINFEKTION Grenzwerte Pumpe POOL Druck MaxMax 0 0 bar Zeit Druck Max bar Zeit Druck Min o 0 bar zeit Druck Minin o o bar Zeit sek Durchfluss Mintin D0 m Zeit o sek zur ck Abbildung Anhang 16 Grenzwerte Pumpe Anhang fl SIMATIC WinCC flexible Runtime SIEMENS SIMATIC AUTO HAND DESINFEKTION 01 01 1990 00 00 00 Abbildung Anhang 17 Betriebsstundenz hler Abbildung Anhang 18 Ventile mit R ndelschrauben zur Feinreguli
25. Ozonleistung in Abh ngigkeit unterschiedlicher D senbauteile und der resultierenden Druckverluste Bei Verwendung der konischen Armaturen werden Ozonleistungen im Bereich von bis zu 0 108 g h erreicht wohingegen beim Carnot Sto 0 117 g h das Maximum darstellen Beide Maxima sind eher im unteren Bereich des Druckverlusts angesiedelt und k nnen auf 25 50 mbar beim Carnot Sto und auf 15 50 mbar bei der konischen Armatur festgelegt werden 4 2 2 Konstruktion und Validierung 1 Reaktorstudie Aus den Versuchen zur hydraulischen Optimierung auf Laborebene resultiert die im Folgenden abgebildete erste Reaktorstudie die auch ihren Einsatz in der Demonstrationsanlage findet und als Grundlage f r alle folgenden Praxisversuche dient s Abbildung 71 109 Ergebnisse gt m wi Abbildung 71 Erste Reaktorstudie Statt einer recht weitl ufigen Reaktorgrundfl che wird diese auf ein eng anliegendes Rechteck um den Elektrodenstack verengt Berechnung s Tabelle 22 sodass eine automatische Str mungskonzentration herbeigef hrt wird der Gedanke ist hierbei die Str mung gleichm iger auf die Elektrodenzwischenr ume und den Au enraum zu verteilen Tabelle 22 Berechnung der freien Durchgangsfl che bei den Stackgr en 4 und 6 g h Stackgr e 4g 6g Fl che n mm 6048 8256 Gesamtfl che Rohr l OO mittlere Quadranten 3x256 5x256 l OO 1 2x440 68 2x630 21
26. Polylinie l seitliche Polylinien 2x219 72 3x 219 72 Gesamt 27368 3765 86 Die Anstr mung der Elektroden wird gem den Ergebnissen aus den Laborversuchen senkrecht zur Elektrode ausgef hrt Eine konzentrische Halterung oberer Bereich des Stacks sorgt f r die n tige Stabilit t des Stacks gegen ber Druckschl gen oder anderen mechanischen Einfl ssen bzw Schwingungen Mittels der Konstruktion lassen sich Stackgr en von 0 25 bis 8 g h verbauen zudem ist eine Volumenstromspannbreite von 0 06 110 Ergebnisse bis 27 m h hydraulisch m glich Eine Str mungsgeschwindigkeit von im Mittel 2 m s dient als Schutz vor zu hohen Scherkr ften als absolute Obergrenze f r diesen Parameter Der Au en bzw Druckausgleichsraum wird mit einem inkompressiblen Fluid gef llt Ziel ist die Unterdr ckung des Wachstums und Metabolismus von aeroben Keimen durch deren Gasbildung die Rechteckh lle Schaden nehmen k nnte Auf die Druckraumf llung wird im weiteren Verlauf der Ergebnisse genauer eingegangen Leistungstest div Str me und Volumenstr me Reaktorstudie 1 Temperatur ca 13 C Leitf higkeit ca 510 uS cm 5 m h 6 m h 10 m h N o N a 3 2 2 N R 0 994 Strom 4 2 3 1 3 3 3 5 6 10 m3 h Abbildung 72 Leistungstest 1 Reaktorstudie Der Bau des Reaktors aus obiger Abbildung macht e
27. RR re _ Lemmer RR em Erem Zusammenfassung Die vorliegende Arbeitet befasst sich mit der Oberfl chendesinfektion im Getr nkesektor unter Verwendung von elektrolytisch generiertem Ozon Dieses umweltschonende Desinfektionsmittel wird ber bordotierte Diamantelektroden direkt aus dem Wasser hergestellt in ihm gel st und ber spezielle Reinigungsarmaturen in Brauereitanks eingebracht Das Forschungsziel besteht in der Konzeption einer vollwertigen CIP Desinfektionsstation die ein Substitut f r die derzeit standardm ig verwendete Dosierung von persistenten Chemikalien darstellen soll In Grundlagenversuchen werden die Abh ngigkeiten der Ozongenerierung von den Parametern Druck Temperatur und Wasserleitf higkeit bestimmt und die Halbwertszeit elektrolytisch generierten Ozons bei verschiedenen Stromdichten berpr ft Zus tzlich hilft die Entwicklung von Polarisations und Entkalkungsroutinen den kalkbedingten Ozonleistungsverlust und den prim r feststellbaren Widerstandsanstieg in Grenzen zu halten Die Gesamtheit dieser Versuche erm glicht die Konzeption einer ganzheitlichen Steuerung f r die Demonstrationsanlage die unter Einhaltung geltender GMP Richtlinien und Anwendung einer Scale up Systematik aus der urspr nglichen Laboranlage hervorgeht F r das Herzst ck der Anlage die so genannten Elektrodenstacks also die Einheit mehrerer gestapelter Plattenelektroden wird ebenso vorerst aus der Labo
28. T 2004 Diamantelektroden in der Elektrochemie oder diamonds are the electrochemist s best friend s l Condias GmbH 2004 Fuchs G 2006 Allgemeine Mikrobiologie 8 Stuttgart Georg Thieme Verlag 2006 S 183 f Gei R 2009 Oberfl chendesinfektion mit ozonisiertem Wasser Validierung von Bacillus atroph us zur Anwendung von Ozon in der Aseptik Studienarbeit Freising Weihenstephan TU M nchen 2009 Glas K 2006 Skriptum Trink Brauch und Abwasser M nchen TU M nchen 2006 Goroncy Bermes P 2010 Nutzen der EN Pr fungen von Desinfektionsmitteln f r die pharmazeutische Industrie s l Sch lke amp Mayr GmbH Norderstedt 2010 Greving J und Unrecht B 2006 Ein ideales Biozid Brauindustrie 2006 1 S 34 36 Grosjean D et al 1988 Ozone fading of organic colorants Products and mechanism of the reaction of ozone with curcumin Environmental science amp technology 22 1988 11 S 292 298 Grote K H und Feldhusen J 2007 Dubbel Taschenbuch f r den Maschinenbau Teil A 21 Heidelberg Springer Verlag 2007 S 4 f Grote K H und Feldhusen J 2007 Dubbel Taschenbuch f r den Maschinenbau Teil R 21 Heidelberg Springer Verlag 2007 S 42 Grund H 2008 Optimierte Hygiene im Getr nke Abf llprozess Brauwelt 2008 39 40 Grund H 2007 Sichere und kologische Betriebshygiene in der Produktion und Abf llung von Getr nken mittels Membranzellen
29. Um die Auswirkungen einer gezielten Ver und anschlie enden Entkalkung auf die Ozongenerierungsleistung zu untersuchen wird die Ozonproduktion des 1g h Stacks vor und nach der ersten gezielten Verkalkung 19 h bei 20 A mit einem Umpolintervall von 30 Minuten und nach einer Entkalkung 2 h in 1molarer HCI mittels Indigocarminmethode ermittelt und verglichen Vor diesem Versuch ist der verwendete 1g h Elektrodenstack ausschlie lich in vollentsalztem Wasser betrieben worden weshalb davon auszugehen ist dass sich auf dem Stack vor Versuchsbeginn noch keine Kalkablagerungen gebildet haben 400 700 Ozon Beginn 1g Stack Ozon Ende Leitungswasser E Ozon Entkalkt p 0 5bar 4 600 Leitf higkeit 15 KL l 20 300 Volumenstrom 2 500 E Umpolzeit 30min Wal 2 400 200 300 Dal 200 100 e 100 0 0 Versuchsbeginn Versuchsende Entkalkt Abbildung 48 Ozonproduktion und Leitf higkeit im Normalbetrieb nach gezielter Verkalkung 19 h mit 20 A und 30 min Umpolintervall und nach der Entkalkung 2 h mit 1molarer HCI Mangold et al 2011 99 Ergebnisse Sowohl die Leitf higkeit als auch die Ozonproduktion nehmen im Kreislaufbetrieb ab s Abbildung 48 Zum Entkalken werden die Elektroden im ausgebauten Zustand zwei Stunden lang bei Raumtemperatur in eine 1M HCI L sung getaucht Nach diesem Vorgang und einer Klarwassersp lung des Stacks
30. ca 620 uS cm Puffervolumen 2 1 Ozonaufbau 4A y 0 9927 1In x 0 4743 R 0 981 ka 2 5 5 5 N gt N Ozonabbau 13 159e 9 02 R 0 9986 d Zeit min Ozonaufbau 4A MOzonabbau 4 Abbildung 42 Ozonaufbau bei 4 A Stromst rke und Ozonabbau bei 17 C Die oben stehende Abbildung 42 steht stellvertretend f r eine Reihe von Versuchen die auf hnliche Art und Weise durchgef hrt wurden Stets kann jedoch wie im obigen Beispiel eine logarithmische Abh ngigkeit des Ozonaufbaus und ein der Theorie entsprechender exponentieller Ozonabbau festgestellt werden Trotz der fehlenden Definition des Logarithmus am Nullpunkt des Koordinatensystems l sst sich durch Verl ngerung der Trendlinie auch hier eine ann hernd exakte Weiterf hrung der Funktion bis zum Ursprung feststellen Innerhalb von 40 Minuten werden bei der angewendeten Stromst rke von 4 Ampere knapp ber 4 0 mg l Ozon in L sung erreicht Ebenso charakteristisch f r die Versuche unter definierten Laborbedingungen sind die durchweg kleinen Konfidenzintervalle in Abbildung 42 nur selten erkennbar die f r die Verwendung der Indigocarminmethode sprechen 4 1 6 Elektrodenstackdauerbetrieb Spannungs und Widerstandsentwicklung im Dauerbetrieb Um die generelle Stromdichte bei der Verwendung von BDD s fixieren bzw limitieren zu k nnen wird unten aufgef hrter Langzeittest durchgef
31. dass der herablaufende Fl ssigkeitsfilm ber die gesamte L nge geschlossen ist und die komplette Oberfl che gen gend gereinigt werden kann Dazu werden etwa 30 hl Reinigungsfl ssigkeit je 1 h und je 1 m Tankumfang umgepumpt Kunze 1998 Zudem werden pro Quadratmeter Tankinnenoberfl che je nach Rauigkeit zwischen 0 8 und 1 2 1 Benetzungsfl ssigkeit angenommen G nsel et al 1998 Die zwei Verfahrensvarianten die bei einer CIP Reinigung und desinfektion zur Verf gung stehen sind die verlorene Reinigung also der einmalige Gebrauch einer f r die Anwendung frisch angesetzten Reinigungsl sung und die gestapelte Reinigung die Mehrfach und Wiederverwendung der in Stapelbeh ltern gelagerten L sungen wobei immer mit frischem Medium wie S ure oder Lauge bis zu einer gewissen Leitf higkeit und oder Wirksamkeit 12 Theoretische Grundlagen aufgesch rft wird d h dass Wirkungsverluste durch Schmutzeintrag oder Verd nnungseffekte mittels z T automatischer Nachspeisung kompensiert werden Im weiteren Verlauf wird nur die gestapelte Reinigung betrachtet da zur Reinigung von G rtanks ann hernd ausschlie lich dieses Prinzip angewendet wird Um die Oberfl chen zu erreichen und reinigen zu k nnen wird das Wasser mit einer geeigneten Reinigungsarmatur verspr ht Die in dieser Arbeit verwendeten Armaturen werden im Laufe dieses Kapitels noch vorgestellt Wildbrett 1996 Eine vollwertige CIP Anlage besteht aus
32. higkeit k Abt tung von Mikroorganismen durch geeignete Desinfektion i Desinfektionsmittel oder verfahren Ausschieben des Desinfektionsmittels keimarmes Nachsp lung en mit Wasser ER SE e Wasser in Trinkwasserqualit t erforderlich Im Brauwesen im Speziellen im Bereich der Beh lterreinigung und desinfektion resultieren die in Tabelle 4 dargestellten Einzelprozessschritte Zwischen Nachsp lung en mit Wasser 13 Theoretische Grundlagen Tabelle 4 Schrittabfolge der Tankdesinfektion in Brauereien Kunze 1998 Schritt Nr Beschreibung Dauer ca 1 Ausblasen 2 Vorsp len mit Stapelwasser 3 Ausschub Ablaufen Stapelwasser 4 Alkalische Reinigung 1 2 iger Lauge bei ca 70 C 5 Ausschub Lauge 6 Zwischensp lung en 7 Ausschub Wasser 8 Saure Reinigung mit 1 2 iger S ure 9 Ausschub S ure 10 Desinfektion 11 Ausschub Desinfektion 12 Nachsp lung en mit Frischwasser 13 Ablaufen des Wassers 14 Aufsch rfung der Stapelmedien Die Gesamtdauer eines solchen Zyklus bel uft sich auf ca 180 min wobei die Kontaktzeit der Oberfl chen mit den Medien Wasser Reinigungs und Desinfektionsmittel mit nur ca 130 Minuten deutlich geringer ist Schmidt 1989 Schmidt 1989 KHS TILL 2007 Generell m ssen alle CIP Schritte auf die jeweils speziellen Anforderungen der Reinigung und Desinfektion abgestimmt sein was zum gr ten Teil an der Diversit t der hergestellten Produkte und der Herstellungsanl
33. mikrobiologischen Versuchen s 4 4 3 verglichen Ziel des Auswahlverfahrens ist es Auslegungskriterien f r eine reale Ozon Oberfl chendesinfektionsanlage zu schaffen und eine der beiden CIP Reinigungsarmaturen favorisieren zu k nnen In der Diskussion wird neben der Zusammenfassung der jeweiligen Vor und Nachteile auch die Wirtschaftlichkeit miteinbezogen Betriebszust nde Umw lzpumpe Die nachfolgenden Versuche stellen rein die Betriebszust nde der Umw lzpumpe dar wenn einerseits die Spr hkugel andererseits der Schwallreiniger im Versuchstank montiert sind Hierzu wird stufenweise die Leistung der Pumpe erh ht bis das jeweilige Volumenstrommaximum erreicht ist Der Gesamtvolumenstrom wird dabei fixiert wobei die Einzelvolumenstr me der Reaktoren die Pumpendrehzahl und der Gesamtdruckverlust aufgezeichnet werden Der Tank wird mit einem Sumpfvolumen von 500 Liter Schrobenhausener Leitungswasser gef llt das im Kreislauf umgepumpt wurde Neben diesen Kennlinien dient die akustische Wahrnehmung die vom Auftreffen des Wassers auf die Tankwandung erzeugt wird als zweites zwar subjektives aber wichtiges Kriterium Der ausgew hlte Volumenstrom soll so beschaffen sein dass alle Fl chen im Tank mit ausreichendem Wasserdruck erreicht werden zugleich aber die Drehzahl der Pumpe und somit die Energiekosten m glichst gering ausfallen 140 Ergebnisse Betriebszust nde Spr hkugel Temperatur 20 C Sumpfvolumen 0 5
34. minimalen Fehlma en gerechnet werden muss die ber eine sp tere relativ freie Aufh ngung des Stacks ausgeklammert werden k nnen Je nach Werkst ck und Beschichtungsziel werden bei der Condias GmbH verschiedene Fertigungsabl ufe realisiert Im Folgenden wird nur auf den Standardfertigungsablauf der CONDIAPURE BDD Elektroden eingegangen die bei der in situ Ozongenerierung Einsatz finden Um undefinierten Oberfl chen und etwaigen Auswirkungen auf die Beschichtungshomogenit t entgegenwirken zu k nnen m ssen immer die Aufbereitungsschritte Aufrauen Reinigen Chemisch Aufrauen Abscheiden mit zum Teil sich wiederholender Abfolge der Aufrau und Reinigungssequenz eingehalten werden Aufrauen Zur ersten Definition der Oberfl chen und zur groben Abreinigung des Substrats wird nach Anlieferung eine Sandstrahlung mit den variablen Parametern Strahlmittel haupts chlich Siliciumcarbid K rnung des Strahlmittels Fluss des Strahlmittels Druck der Sandstrahlung D senbohrungsdurchmesser und Abstand zum Werkst ck durchgef hrt Nach einem streng berwachten Arbeitsplan werden obige Parameter f r jedes Werkst ck einzeln fixiert und gem ca 10 verschiedenen Rezepten Verfahrensanweisungen die applikationsbezogen optimale Beschaffenheit gew hrleistet Als qualit tskontrollierende Ma nahmen werden bei der Aufrauhung Oberfl chenrauigkeitsmessungen mittels Radiologie und R ckstreuungsmethode durchgef hrt Eine stati
35. notwendigen filigranen Armaturen mit sich ziehen Versuche auf Laborebene W hrend E coli sich in der mobilen Phase also suspendiert als sehr leicht abzut tender Keim herausstellt ist die Resistenz von A niger deutlich h her angesiedelt Zur ckzuf hren ist diese Resistenz auf die im Vergleich zur Individuenanzahl relativ hohe Masse da der Schimmelpilz bereits in der Wachstumsphase ein Mycel ausbildet Dieses wirkt ozonzehrend und dient den Pilzen vermutlich als Schutzmechanismus Beim Aspergillus niger handelt es sich zwar nicht um einen brauereispezifischen Schadkeim in der dauerfeuchten G r und Lagerkelleratmosph re werden zwar ebenfalls Schimmelpilze als Begleitflora erwartet die jedoch aufgrund des Selektionsdrucks eher selten eine wirkliche Produktgef hrdung darstellen Dittrich 1993 Die ben tigten Ladungen zur Abt tung von 7 log Stufen bei S aureus und S cerevisiae liegen im Rahmen wobei f r die Hefen mit 30 min bereits eine relativ lange Desinfektionszeit notwendig ist Allgemein l sst sich aussagen dass Ozon in diesem modifizierten Suspensionstest gegen ber allen Validierungskeimen gem einem Desinfektionsmittel auch f r Aseptikanlagen entspricht es werden immer mind 4 log Stufen erreicht VDMA 2002 F r die Tests mit angetrockneten Keimen entf llt E coli aufgrund der Ozonsensibilit t und der daraus resultierenden mangelnden Aussagekraft der Ergebnisse die Versuche best tigen jedoch die Lite
36. tzlich ist der Einsatz von Ozon im Trinkwasser und Getr nkesektor angeblich mit einem hohen Energieaufwand und damit einhergehenden Kosten verbunden und sicherheitsaufwendig Meuli 1993 Zudem reizt das giftige und tzende Gas die Atemwege und bei der Reaktion mit Wasserinhaltsstoffen kann es unbekannte und m glicherweise giftige Produkte hervorrufen Au erdem ist Ozon in reinem Zustand u erst explosiv Bei 25 Theoretische Grundlagen Sauerstoffgemischen mit etwas ber 30 Vol Ozon reichen St e pl tzliche Temperatur nderungen oder geringe Mengen eines Katalysators um eine Explosion herbeizuf hren Bei Sauerstoffgemischen mit 9 Vol k nnen durch elektrische Funken Explosionen herbeigef hrt werden Schriever et al 1980 Dem gegen ber steht die absolute Umweltfreundlichkeit da bei richtiger Anwendung nur Sauerstoff Kohlendioxid und Wasser als Reaktionsprodukte entstehen weswegen die Trinkwasserverordnung die Ozonierung als eines der wenigen Verfahren zur Desinfektion zul sst Trinkwasserverordnung 2001 2006 Wichtig im Umgang mit Ozon ist die bedachte Wahl der Werkstoffe Ozon f hrt bei den meisten Kunststoffen durch die Extraktion und Elimination der Weichmacher zu einer Verspr dung und l sst z B niedrig legierte St hle korrodieren Ozon ist au er seiner Desinfektionswirkung auch geeignet den TOC in belasteten Ab W ssern zu senken Rein St chiometrisch kann ein Massenanteil Ozon einen Massenante
37. zum System gew hlt Letztlich verf gt der Puffertank noch ber eine F llstandsmessung um eventuelle Verluste durch Probez ge oder Leckagen sichtbar machen zu k nnen und so die trockenlaufempfindlichen Teile zu sch tzen Wird ein F llstandsalarm ausgel st schalten sich das Elektrolysemodul und die Pumpe automatisch ab Dies tritt ein wenn der Mindestf llstand unterschritten wird Auch bei berschreitung gewisser elektrischer Parameter der BDD Elektroden schaltet sich die Anlage automatisch ab Bei berdruck durch vermehrte Gasbildung im Kreislauf ffnen sich zudem vier berdruckventile um eine Besch digung im Reaktorkreislauf zu verhindern Die im Kreislauf vor dem Reaktor und vor dem Vorratstank eingebauten Filter dienen dazu Feststoffe wie z B Kalkpartikel abzufangen In regelm igen Abst nden von etwa zwei 84 Material und Methoden Wochen wird die Versuchsanlage sanitisiert indem ca 4 Stunden lang Ozon erzeugt wird im gesamten ist Dadurch kann sich das Ozon Kreislauf anreichern und organische Bel ge wie z B Biofilme aufoxidieren Auf diese Weise Lampe eingeschaltet ohne dass die UV wird sichergestellt dass es nicht durch organische Verunreinigungen zu einer Ozonzehrung kommt und die Messergebnisse dadurch verf lscht w rden ESA 502 218833 Bunyunyrug3 0 02 7
38. 083 0 316 0 341 0 356 240 A 0 439 In x 4 049 0 536 0 567 0 585 320 A y 0 501 In x 6 180 0 768 0 803 0 823 In obiger Abbildung 138 l sst sich nun eine Linearit t zwischen der Stromvorgabe und der daraus resultierenden Ozonkonzentration erkennen wobei alle drei Linearisierungen hervorragenden Modellvorstellungen entsprechen Das bedeutet dass die Logarithmuskurven in Abbildung 95 s 4 4 1 zur Stromvorgabe proportional nach oben verschoben sind Mit diesem Modell kann f r beliebige Stromst rken zu den ausgew hlten Zeiten die jeweilige Ozonkonzentration berechnet werden Beispielhaft werden in Tabelle 39 f r die drei ausgew hlten Zeitpunkte die zugeh rigen Konzentrationsgleichungen angegeben Tabelle 39 Konzentrationsgleichungen f r ausgew hlte Zeitpunkte Zeitpunkt Konzentrationsgleichung t 20min Cos 8 1 0 027 Strom A 0 108 t 40min Cop 1 1 0 028 Strom A 0 105 t 60min Je TE 1 0 029 Strom A 0 1035 Mithilfe dieser Gleichungen kann nun auch das Offset berechnet werden Die Gleichungen sollten idealerweise einen gemeinsamen Schnittpunkt mit der x Achse haben der das Offset darstellt Dieser gemeinsame Schnittpunkt wird mit den Versuchswerten ann hernd erreicht und man erh lt einen gemittelten und gerundeten Wert von 37 7 A Wenn diese Stromst rke leistungsbezogen auf die drei Elektroden verteilt wird erh lt man f r jeden 6g h Elektrodenstack ger
39. 2001 Schadstoff 0OHe Re H O CO Gleichung 16 Grunds tzlich stellen die Hydroxylradikale mit einem Oxidationspotential von 2 8 V eines der st rksten existierenden Oxidantien dar und sind dennoch technisch gut einsetzbar Die AOPs werden besonders f r die Behandlung problematischer Abw sser welche schwer abbaubare Substanzen enthalten eingesetzt So kommen sie gegebenenfalls beim Abbau von 31 Theoretische Grundlagen Spurenstoffen oder Arzneimitteln wie sie etwa in Krankenhausabw ssern vorkommen zum Einsatz Stasinakis 2008 Durch die zus tzliche Entstehung von Hydroxylradikalen f hren AOP Verfahren zu einer erh hten Leistung und einem besseren Ergebnis der Wasser Reinigung Gegen ber den Einzelverfahren k nnen die Kombinationsvorg nge z B sowohl eine Verringerung der Strahlerleistung als auch eine Minimierung der Oxidationsmittelzugabe durch deren Aktivierung mit sich ziehen Nicht zu vernachl ssigen ist jedoch dass das Hydroxylradikal nur diffusionskontrolliert wirken kann da die Lebensdauer der hochreaktiven Sauerstoffspezies mit nur ca 10 s sehr gering ist Lecher et al 2001 Kiefer 2002 Im Folgenden werden die bedeutendsten und auch in der Fachliteratur am meisten ber cksichtigen AOPs dargestellt Ozon und UV Licht Wie bereits in Kapitel 2 3 erw hnt kann Ozon durch die Einwirkung von energiereichem ultraviolettem Licht in Sauerstoff und Singulettsauerstoff gespalten werden Gleichun
40. 47 Theoretische Grundlagen reinigenden Anlagen entsprechen Bender 2007 Folgende Anforderungen bestehen in jedem Fall f r den Bau von CIP Anlagen Feste Verbindungen sind l sbaren vorzuziehen wenn technisch m glich allgemein sollten Verbindungselemente reduziert bzw am besten vermieden werden Verpflichtende Verwendung von hygienischen Verschraubungen z B Tri Clamp nach ISO 2853 und Flanschverbindungen DIN 11864 wo immer m glich Denk 2007 Die L nge von Anschlussstutzen ist auf ein Minimum zu begrenzen Dead legs also Totr ume sind zu vermeiden die L nge von nicht durchstr mten Abzweigungen ist kleiner 6 besser 3mal Nennweite zu halten Rohrsysteme und Beh lter m ssen selbstentleerend ausgef hrt sein Als Werkstoffe sind bevorzugt Edelst hle zu verwenden vor allem im Hinblick auf den Ozoneinsatz Qualit tsstufe AISI 3161 bzw in Deutschland 1 4404 oder 1 4435 Die Oberfl chenrauigkeit der Innenseiten also der produktber hrenden und zu reinigenden und zu desinfizierenden Fl chen muss 0 8 um unterschreiten Die Oberfl chenrauigkeit an Schwei n hten sollte durch den Einsatz von Orbitalschwei technik auf Ra lt 1 6 um minimiert werden Als Dichtungselastomere kommen FDA Food and Drug Administration zugelassene Werkstoffe in Frage ein definierter Anpressdruck ist zwingend erforderlich Spaltfreie Ausf hrung aller Innenteile von Pumpen vollst ndige
41. Analytics spektralphotometrisch bzw kolorimetrisch durchgef hrt werden Die Sensoren sind mit Messbereich und genauigkeit in der folgenden Tabelle aufgelistet Tabelle 17 Beschreibung der drei eingesetzten und validierten Sensoren anhand des Messbereichs und der postulierten Genauigkeit Sensorbezeichnung Messbereich Genauigkeit EC 31330 0 000 5 000 mg l 0 001 mg l 3X8 210 0 000 5 000 mg l 0 003 mg l 2 AMI Codes Il Analyzer 0 000 5 000 mg l 0 005 mg l 66 Material und Methoden EC Sensor 31330 der Firma Hach Ultra Abbildung 25 zeigt den Aufbau eines EC Sensors der Firma Hach Ultra Der Sensor verf gt ber eine zentrale Goldkathode und eine Gegenelektrode Anode die von der Elektrolytl sung umgeben sind Eine gasdurchl ssige Membran trennt die Elektroden und das Elektrolyt vom Probefluss und verhindert das Eintreten von Fl ssigkeit Das durch die Membran eindringende Gas l st sich im Elektrolyt und erzeugt bei anliegender Spannungsdifferenz durch Reaktion an der Kathode den messbaren elektrischen Stromfluss Hach Ultra Analytics GmbH 2008 Der Einfluss anderer Gase wird durch eine Schutzringelektrode Kathode die die zentrale Elektrode umgibt reduziert Der Volumenstrom des Probeflusses durch die Durchflusszelle muss bei diesem Sensor mindestens 10 I h betragen Hach Ultra Analytics GmbH 2008 Haltering Mittlere Elektrode Membran Schutzring der Elektrode Halterung Elektro
42. Chlordioxid 70 000 hl Brauerei r N r r N 100 u T E gt w E D oO 2 gt N E 5 Fei pe N 18 20 Amortisationszeit Abbildung 142 Amortisationszeiten elektrolytisch generiertes Ozon gegen Chlordioxid Als drittes Vergleichsverfahren wird die Desinfektion mittels Chlordioxid zur Berechnung herangezogen s Abbildung 142 Hier ergeben sich f r alle drei aufgetragenen Konzentrationen bei Chlordioxid geht man grunds tzlich von relativ niedrigen Konzentrationen in der Oberfl chendesinfektion aus nur bei niedrigen Wartungspauschalen rentable Zeitr ume 200 Fazit 6 Fazit 6 1 Verfahrenstechnische Auslegungsgrundlagen zur Konzeption und zum Betrieb einer voll funktionsf higen CIP Desinfektions Station auf Basis einer elektrolytischen Ozongenerierung Aus den durchgef hrten Versuchen zum Elektrodenstackbetrieb gehen einige wichtige Grundlagen f r die Verfahrenstechnik der Oberfl chendesinfektion mittels in situ hergestellten Ozons hervor Als einer der prim ren Punkte ist die Temperaturabh ngigkeit der Ozonherstellung zu nennen Je k lter die Medientemperatur ist desto h her liegt die tats chliche Stromausbeute des Verfahrens Bei der Oberfl chendesinfektion von G r und Lagertanks kann jedoch nur bedingt Einfluss auf diesen Parameter genommen werden dennoch e
43. DEV C10 17 8 mell CaCO3 Calcitl severhalten DEV C10 calcitabscheidend S urekap bis pH 4 3 im Labor DEV H7 4 40 mol m Basekapazit t Bew temp DEV 10 0 13 bei 13 2 C mol m Sauerstoff vor Ort DEV G22 10 0 0 1 mg L 02 Gesamth rte DEV H6 16 1 0 1 Gesamth rte DEV H6 2 87 0902 mmol L entspricht H rtebereich WRMG hart Leitf higkeit bei 20 C vor Ort DEV C8 513 2500 uS cm Ingolst dter Kommunalbetriebe Bankverbindung Registergericht Ingolstadt HRA 1647 Cd Ein Unternehmen der Hindemithstra e 30 D 85057 Ingolstadt Konto Nr 50 46 14 09 USt IdNr DE238380560 E Stadt Ingolstadt kontakt in kb de www in kb de BLZ 721 500 00 Vorstand Dr Thomas Schwaiger Telefon 0841 305 33 33 Sparkasse Ingolstadt Vorsitzender des Verwaltungsrates Telefax 0841 305 33 39 Sitz Ingolstadt Oberb rgermeister Dr Alfred Lehmann Wasserversorgung wow TSM Triniwasseruntersuchungsstelle gem 15 Abs 4 2007 GEPR FT Zertifiziert nach AQS Bayern AQS 01 030 96 N gen Abbildung Anhang 1 Trinkwasseranalyse Schrobenhausener Stadtwasser Anhang Stadtwerke FREISING heute und morgen TrinkWasser Analyse Die STADTWERKE FREISING ver ffentlichen die Ergebnisse der Analysen des Trinkwassers der Stadt Freising mit den eingemeindeten Orten Altenhausen Ast Attaching Edenhofen Erlau Garten Gartelshausen Haindlfing Haxthausen Hohenbachern Itzling Kleinbachern Lagelt
44. Die integrierte diamantbeschichtete Elektrode deren Nennleistung 0 25 g h entspricht hat eine Anodenfl iche von 50 2 Diese Ausr stung ist aufgrund der deutlichen berdimensionierung im Vergleich zur reinen Wasseraufbereitung erfahrungsgem ausreichend um den Anwendungsfall Oberfl chendesinfektion auf Laborebene zu durchleuchten PTFE Schl uche Diachem Elektrode Puffergef Thermometer Siemens Steuerung Spektralphotometer Eiswasserbad Abbildung 31 Aufbau der Laboranlage f r die Kinetik und Mikrobiologieversuche Gei 2009 Auf die Konzeption und die Verwendung additiver Bauteile wird im sp teren Verlauf der Arbeit eingegangen Ein Schlitten f r berstr mungsversuche kann bei dem oben dargestellten Versuchsaufbau im R cklauf der Anlage mittels einfacher Triclamp Verbindungen eingesetzt werden Als Erg nzung f r die optischen und hydraulischen Versuche wurde ebenfalls ein Bauteil konzipiert s 4 2 1 Glasreaktor das als Alternative f r 81 Material und Methoden den in Abbildung 31 sichtbaren PVDF Reaktor in dem sich die DIACHEM Elektrode befindet verbaut wurde 3 6 2 _ Halbtechnische Versuchsanlage zur Evaluierung von Entkalkungsroutinen Die Versuchsanlage f r die Kalkpr ventions und Entkalkungsversuche s Abbildung 32 die in Zusammenarbeit mit dem Dechema e V in Frankfurt vollzogen wurden wurde hnlich der Oberfl chendesinfektionsanlage konzipiert Sowohl vom Anlagenaufbau als au
45. Elektroden verringern daher wird erwartet dass der Elektrodenstack bei Umpolintervallen von 30 Minuten st rker verkalkt bzw die Leitf higkeit im Kreislauf st rker abnimmt als bei Umpolintervallen von 15 Minuten Abbildung 47 zeigt die Abnahme der Leitf higkeit und der Calcium Konzentration im Kreislauf w hrend der 19st ndigen Betriebsphase eines 1g h Stacks mit 20 A in Leitungswasser Die Leitf higkeit wird ber die Online Sensorik ermittelt die Bestimmung der Calcium Konzentration erfolgt mittels Atomabsorptionsspektroskopie Aus der Abbildung geht hervor dass sowohl die Leitf higkeit als auch die Calcium Konzentration bei Intervallen von 15 und 30 Minuten in vergleichbarem Ma e abnehmen Daraus l sst sich schlie en dass die Kalkabscheidung wie auch die Ozonerzeugung bei verh ltnism ig langen Umpolintervallen unabh ngig von dem eingestellten Umpolintervall ist 98 Ergebnisse 60 500 Umpolzeit 15 Minuten Ca Umpolzeit 30 Minuten Leitf Umpolzeit 15 Minuten s 55 Lem Umpolzeit 30 Minuten 440 _ 5 Kal 5 50 1380 45 1g Stack 1 320 Leitungswasser x p 0 5bar CR 40 15 260 20 Volumenstrom 2m h 35 200 0 5 10 15 20 t h Abbildung 47 Abnahme der Leitf higkeit und Calciumkonzentration im Versuchskreislauf bei Umpolintervallen von 15 und 30 Minuten Mangold et al 2011
46. Entleerbarkeit der Pumpen Bei unvermeidbaren Spalten sollte das Verh ltnis von L nge zu Breite lt 1 5 sein Messger te bzw sensoren sollten nach M glichkeit eingeschwei t werden ein spalt und totraumfreie Einbau ist zu gew hrleisten Die Messger te m ssen ebenfalls kalibrierbar sein und thermisch entkoppelt sein Bender 2007 Mindestens erforderlich zur Prozesskontrolle sind folgende Sensoren Durchflussmessung Druckmessung Temperaturmessung Leitf higkeitsmessung pH Messung E Anhand obiger Liste und einer Bestandsaufnahme zur Kategorisierung der Reinigungs und Desinfektionsaufgabe ist es m glich eine vom Maschinenbau her beanstandungslose CIP Desinfektionsanlage zu konzipieren und aufzubauen Entscheidungskriterien wie die Steuerungsanbindung der Automatisierungsgrad die Einhaltung eines Betriebsstandards und das Zur ckgreifen auf die bestehende Medienversorgung Druckluft Frischwasser etc bestehen f r die Detailkonzeption jedoch dennoch Des Weiteren gibt es bergeordnete Richtlinien die sich auf den Bau von wasserf rdernden Anlagen beziehen So sollte die maximale Flie geschwindigkeit von wasser hnlichen 48 Theoretische Grundlagen Substanzen z B wasserbasierten Desinfektionsmitteln aufgrund des durch Rohrreibung resultierenden Druckverlusts 3 m s nicht berschreiten wonach die Rohrleitungsdimension ausgelegt werden muss Gleichzeitig darf jedoch die
47. Fl che auch eine entsprechende Wurfweite zu erhalten d h dass der wirksame Reinigungsradius auch ausreichend weit ausgedehnt wird Meierkordt 2005 Wagner 2010 Beim Schwallreiniger wird das Reinigungsmittel durch asymmetrisch im Kopf angeordnete Schlitze verteilt wodurch der auf Kugeln gelagerte Reinigungskopf ber geschickt angeordnete Prallfl chen im Inneren in Rotation versetzt wird Zwangsanstr mung genannt Das eingebrachte Reinigungsmedium wird durch die Rotation der Schlitze in gro en Tropfen auf verh ltnism ig nur kleine Fl chen aufgebracht jedoch wandert die Aufprallfl che ber eine weite Fl che der Beh lterinnenwand Durch diese Arbeitsweise ergibt sich eine intensivere Penetration entspricht der aufgebrachten Menge pro Fl che und Zeit wodurch sich der Reinigungseffekt verbessern kann Damit ist nach Evaluierung des Einzelfalls eine Einsparung an Reinigungs und oder Desinfektionsmittel m glich Mit dem Einsatz des Schwallreinigers k nnen im Vergleich zur Spr hkugel gr ere Wurfweiten erzielt werden Nachteilig sind jedoch der vergleichsweise hohe Beschaffungspreis und der h here ben tigte Vordruck Zus tzlich sind die Scherkr fte die beim Abwurf wirken eher abtr glich auf die L slichkeit des Ozons im Wasser partielle Unterdr cke k nnen zu einer vermehrten Ausgasung des Desinfektionsmediums sorgen Meierkordt 2005 Meierkordt 2008 In den unten dargestellten Abbildungen wird nochmals auge
48. Glanz Strukturver nderungen etc e Farbe Farbver nderungen e Spr digkeit insofern festzustellen e Sonstige Auff lligkeiten Materialfehler etc Nur durch die zwar subjektive Methodik der optischen Bewertung der Materialstreifen ist es m glich z B oberfl chliche Oxidationen zu erkennen Gerade Abweichungen wie farbliche Ver nderungen oder Glanzverlust gehen als sehr wichtige Faktoren in die Bewertung mit ein Zu den optischen Verfahren z hlt auch die Verwendung eines Endoskops bei der berpr fung des Druckraumes Reaktor 3 3 8 Mikrobiologische Validierung F r die mikrobiologische Validierung von Ozon auf Laborebene war die Entwicklung eines Standardtests notwendig Der bliche Suspensionstest zur Festlegung der Desinfektionswirkung konventioneller Chemikalien in der Aseptik ist aufgrund der vergleichsweise hohen Reaktivit t des Ozons nicht verwendbar Wie sp ter in der Versuchsdurchf hrung erkl rt wird handelt es sich bei dieser modifizierten Variante um ein 70 Material und Methoden Kreislaufverfahren wodurch permanent frisches Ozon ber die BDD eingespeist werden kann Dazu wurden unterschiedliche Volumina Keimsuspension mit bestimmter Individuenanzahl in ein Puffervolumen i d Regel 1 oder 2 Liter Wasser eingebracht und anschlie end zur Sicherstellung einer optimalen Durchmischung f r 10 min umgepumpt Vor dem Zuschalten der Elektrode erfolgt eine Beprobung zur Festlegung der Wiederfindung
49. IN BRAUEREIEN KUNZE 19008 14 TABELLE 5 EIGNUNG VON CHLOR CHLORDIOXID UND ELEKTROCHEMISCHER AKTIWIERUNG 17 TABELLE 6 EIGNUNG VON HALOGENCARBONS UREN PEROXIDVERBINDUNGEN UND OBERFL CHENAKTIVEN TENSIDEN 18 TABELLE 7 EIGNUNG VON ALKOHOLEN ALDEHYDEN UND PHENOLEN uceeennsensssnsnnssnsnnnnnsnnnnnnnnsnnnsnsnsnnnsnsnnnnnsssnensnsnnnnnnnn 19 TABELLE 8 EIGNUNG VON UV BESTRAHLUNG THERMISCHER DESINFEKTION UND 20 TABELLE 9 BUNSEN SCHER ABSORPTIONSKOEFFIZIENT F R OZON NACH GMELIN DVGW REGELWERK 2002 23 TABELLE 10 VERGLEICH DER DESINFEKTIONSWIRKUNG VON OZON UND CHLOR NACH BRINGMANN UND KESSEL FIGAWA EE e E E 27 TABELLE 11 WERTETABELLE ZU ABBILDUNG 6 WALLH UBER 1905 28 TABELLE 12 VERGLEICH DER EMPFINDLICHKEIT VERSCHIEDENER MIKROORGANISMEN GEGEN BER OZON ANHAND DER EXPOSITIONSWERTE F R DIE REDUKTION UM 99 DVGW REGELWERK 20072 28 TABELLE 13 DESINFEKTIONSTEST MIT UNTERSCHIEDLICHEN DURCHFL SSEN UND STROMST RKEN POREMBRA 2005 40 TABELLE 14 UND 15 BERECHNUNG DER FREIEN DURCHGANGSFL CHE BEI G NGIGEN STACKGR BEN DURCH BERECHNUNG DER er E NE E 62 TABELLE 16 BERECHNUNG DER FREIEN DURCHGANGSFL CHE BEI G NGIGEN STACKGR BEN BEI VERWENDUNG VON POLYLINIEN62 TABELLE 17 BESCHREIBUNG DER DREI EINGESETZTEN UND VALIDIERTEN SENSOREN ANHAND DES MESSBEREICHS UND DER POST LIE
50. Konstruktion und Bau Im Folgenden wird das f r die hydraulischen Validierungen und die optischen Untersuchungen aufgebaute Reaktorgeh use im Laborma stab vorgestellt und beschrieben Wichtige Konstruktionsvorgabe ist die optische Zug nglichkeit des Systems weswegen die meisten Bestandteile aus PMMA Plexiglas oder Borsilikatglas gefertigt sind Der in Abbildung 64 dargestellte Reaktor besteht aus einer mittels Gewindebolzen verschraubten Stapelung von Einzelsegmenten Diese Modellbauweise erlaubt es jederzeit Einzelteile f r Versuchsdurchg nge auszutauschen Die Abdichtung erfolgt durch O Ringe deren Best ndigkeit gegen ber Ozon wegen des Werkstoffs EPDM als ausreichend eingestuft wird Die Elektrode die zur Validierung eingesetzt wurde verf gt ber eine Fl che von 50 cm besteht aus einer Anode und einer Kathode und besitzt eine maximale Ozonleistung von 0 25 g h bei 5 Ampere Die Aufnahme der Elektrode wird ber eine Kunststoffverschraubung realisiert um versch Anstr mungswinkel einstellen zu k nnen s Pos 4 Zwei Halteflansche s Pos 1 2 die ber Gewindebolzen s Pos 3 fixiert werden dienen zur Stabilisierung und Aufnahme des Innenlebens Ein aus Plexiglas gefertigter Str mungskonzentrator s Pos 7 erf llt die Aufgabe den Fl ssigkeitsstrom m glichst druckverlustfrei B schungswinkel von 30 kantenlos zu kanalisieren und dennoch einsehbar zu machen w hrend eine wechselbare D senarmatur s Pos 6
51. Orbital Theorie handelt es sich bei um eine Vierelektronen Dreizentrenbindung die drei Sauerstoffatome bilden formal neun sp Hybridorbitale von denen jedoch f nf mit nicht bindenden Elektronenpaaren besetzt sind Durch die berlappung der verbleibenden vier Elektronenpaare entstehen drei o Bindungen die die gewinkelte Molek lstruktur bedingen Leitzke 2003 Der Grundzustand des Ozons wird als Singulett Diradikal angegeben was durch Berechnungen eruiert wurde Dieser Zustand ist wegen des ausgepr gten Dipolcharakters auch ausschlaggebend f r den elektrophilen Charakter des Ozons Floriano et al 1995 Die Bindungsverh ltnisse des Ozonmolek ls k nnen durch die mesomeren Grenzformeln in Abbildung 5 dargestellt werden 8 AT Rn DEE eier e N Ur 9 A 2 116 5 Abbildung 5 Grenzstrukturen des Ozonmolek ls Belke 2010 Die Bildungsreaktion des Ozons Gleichung 3 setzt sich aus den Teilgleichen 2 und 3 zusammen und ben tigt in Summe eine u ere Energiezufuhr von 142 kJ pro mol um die Enthalpiedifferenz H ausgleichen zu k nnen Mortimer 1987 050 gt 0 AH 247 kJ mol Gleichung 1 O 0 lt AH 105 kJ mol Gleichung 2 150 lt 0 AH 142 kJ mol Gleichung 3 Das gewinkelte Molek l bleibt im Festk rper in der mesomeriestabilisierten Form erhalten der O O Abstand betr gt 128 pm was genau zwischen der L nge einer Einfachbindung 148 pm und
52. Ozonleistung eruiert werden Deutlich erkennbar ist die bereits sehr gute Performance des Reaktors der durch die hydraulischen Verbesserungen eine im Vergleich zur ersten Reaktorstudie ca 20 h here Ozonleistung aufweist So liegt das Maximum bei 4 8 g Ozon pro Stunde was in Anbetracht des Elektrodenalters bzw der Einsatzzeit von ca 250 Stunden einer beachtlichen Ausbeute entspricht 118 Ergebnisse PVC Reaktor Leistungstest Anstr mung 90 und variabler Volumenstrom Temperatur 13 C Leitf higkeit ca 510 uS cm 0 044x 0 565 0 029 0 459 R 0 998 y 0 024x 0 264 R 0 997 Ozonleistung g h Strom I A 1m3 h 90 2 m3 h 90 3 m3 h 90 5 m3 h 90 Abbildung 83 Leistungstest PVC Reaktor Anstr mung 90 und variabler Volumenstrom bertr gt man diese Ergebnisse durch Umrechung auf die Reynoldszahl auf die Turbulenz der Str mung ergibt sich entgegen der bisherigen Verh ltnisse eine relativ gute lineare Abh ngigkeit der Ozonleistung s Abbildung 84 PVC Reaktor 90 Anstr mung Ozonleistung in Abh ngigkeit von der Reynoldszahl Temperatur ca 13 C Leitf higkeit ca 510 uS cm 7 05 1 6458 R 0 9507 y 5E 05x 0 8957 R 0 9358 w u E EI 2 3 3 2 N N r y 1E 05x 0 3296 R 0 9012 u 15000 Reynoldsz
53. Praxisma stab und finale Reaktorstudie Die Konstruktion des optisch zug nglichen PVC Reaktors f r die Validierungen im Praxisma stab orientiert sich stark an der ersten Reaktorstudie mittels der trotz der Effizienzdefizite bereits diverse Probleme wie die mechanische Stabilisierung oder die Str mungskanalisierung anteilig gel st werden konnten Die nochmalige Verengung der durchstr mten Fl che ist als positiv f r geringe Volumenstr me zu betrachten h here Reynoldszahlen hatten gem bisherigem Kenntnisstand nie zu einer Senkung der Ozonleistung gef hrt Allein durch die Vergleichm igung der Abst nde innerhalb des Reaktors kann bereits eine Leistungssteigerung von ca 10 gegen ber der ersten Reaktorstudie erreicht werden Dies bewirkt als erste Neuerung beim Reaktorbau die Anpassung des inneren Rechteckrohres an die jeweilige Elektrodengr e und eine exakte Fixierung des Stacks in diesem Rechteckrohr Die Versuche zur hydraulischen Optimierung lassen weitere Schl sse zu die die Konstruktion nicht nur eines finalen Reaktordesigns sondern auch einer vollst ndig optimierten Elektrolysezelle praxisrelevanter Gr e erm glichen Die Anstr mh he nimmt keinen oder nur sehr geringen Einfluss auf die Generierungsleistung weshalb bei der Konstruktion des finalen Konzepts zugunsten des Maximaldrehmoments an der Minimierung der Stromfahnenl nge festgehalten wird Gleicherma en sind weder die Vergr erung des Elektrodenabst
54. R DIE BERSTR MUNGSVERSUCHE AM LEHRSTUHL F R MIKROBIELLE OKOLOGI EN Ee 148 ABBILDUNG 109 LABORTANK F R DIE OF DESI VERSUCHE AUF DEM RECHTEN BILD EINE AUSSCHNITTSZEICHNUNG DER OBEREN VENTILANORDNUNG eet nn ee ee 149 ABBILDUNG 110 SUSPENSIONSTEST COU IM OPTISCH ZUG NGLICHEN LABORREAKTOR 151 ABBILDUNG 111 ZEITABH NGIGE MITTLERE LOGARITHMISCHE KEIMZAHLREDUKTION MOBILE PHASE 152 ABBILDUNG 112 VERSUCHSAUFBAU ANGETROCKNETE KEIME METALLPL TTCHENAUFNAHME IM R CKLAUF DER LABORANLAGE EE EE EE 153 ABBILDUNG 113 ZEITABH NGIGE MITTLERE LOGARITHMISCHE KEIMZAHLREDUKTION ANGETROCKNETE KEIME 153 ABBILDUNG 114 ZEITLICHE MITTLERE LOGARITHMISCHE KEIMZAHLREDUKTION TANKDESINFEKTION 154 ABBILDUNG 115 VERGLEICH OZONEXPOSITION AM TANKEIN UND AUSLAUF IN EINEM LABORVERSUCH MIT 5 0 155 ABBILDUNG 116 ABGLEICH ATP UND STANDARDMIKROBIOLOGIE uenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 156 ABBILDUNG 117 ZEITABH NGIGE DESINFEKTIONSEFFIZIENZ RINSWASSERTEST 157 ABBILDUNG 118 DESINFEKTIONSEFFIZIENZ TANKOBERELACHE 158 ABBILDUNG 119 DURCHFLUSSVARIATION ORBISPHERE seeenenenenenenenenennnenenenenenenenenenennnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 160 ABBILDUNG 120 DURCHFLUSSVARIATION MEIER 160 ABBILDUNG 121 GENAUIGKEIT UND S
55. S dzucker AG 1998 2 4 Ozon 2 4 1 Charakterisierung und Desinfektionsnebenprodukte Als Entdecker des Ozons gilt der Physiker und Chemiker Christian Friedrich Sch nbein der 1839 den bei der Wasserelektrolyse im Anodenraum entstehenden Geruch f r identisch hielt mit den bei elektrischen Entladungen beobachteten und ihn einem elementaren gasf rmigen Stoff zuschrieb den er OZON griechisch ozein Riechen nannte Weitergehend konnte er den unbekannten Stoff auch im Regenwasser nachweisen das bei Gewittern niederstr mte Sch nbein 1840 Im Jahre 1845 wurde von De La Rive und Manignac nachgewiesen dass es sich um eine Modifikation des handelt und J L Soret bestimmte 1863 die Formel welche er zwei Jahre sp ter durch eine Dichtemessung best tigte Schriever et al 1980 Ozon wird seit Mitte des 19 Jahrhunderts zur Trink Ab und Schwimmbadwasserdesinfektion verwendet und etabliert sich seit 2000 immer mehr beim Einsatz in Getr nkeherstellung und abf llungsanlagen Zudem wird es als Sanitisierungsmittel in K hlkreisl ufen verwendet Becker et al 2008 21 Theoretische Grundlagen Ozon ist als Vertreter der Peroxid Verbindungen die allotrope Form von Disauerstoff und bei Zimmertemperatur ein instabiles blaues diamagnetisches Gas das unterhalb von 192 5 C zu einem schwarzvioletten Feststoff erstarrt der zu explosionsartiger Zersetzung zu neigt Schriever et al 1980 Gem der Molekular
56. S dzucker AG 1998 Auch die Definition gem DIN 10516 lautet dass die Desinfektion Reduzierung der Keime auf ein ungef hrliches Niveau entsprechen sollte Deutsches Institut f r Normung e V DIN 2009 Teilweise findet sich sogar die Aussage dass keine allgemein g ltige Beschreibung der Desinfektion existiert Bodenschatz 2006 Die tats chliche Keimfreiheit ist in der Praxis mittels Desinfektion kaum zu erreichen 6 Theoretische Grundlagen es handelt sich eher um eine Verminderung der Keimzahl entweder auf ein vorgegebenes tragbares Niveau oder um ein bestimmtes Ma das wiederum die maximal verbleibende Belastung durch Mikroorganismen automatisch erheblich einschr nkt s 3 3 8 MLK Wert Im Vergleich zur Desinfektion verlangt eine Sterilisation nun die vollst ndige Abt tung aller vorhandenen Mikroorganismen auch wenn diese vor bergehend oder l ngerfristig in einer Dauerform vegetieren von Viren und Prionen im Produkt S dzucker AG 1998 Diese Charakteristik muss eine Desinfektion nicht zwingend aufweisen Ma gabe einer Sterilisation ist heutzutage die Einhaltung eines Sterility Assurance Levels SAL von 10 was gleichbedeutend mit der Reduktion auf KBE bei einer Sicherheit von 1 1 000 000 ist Bodenschatz 2006 Bei einer Anzahl von 10 gleichartigen Sterilisationen d rfen sich demnach maximal in einer der Proben vermehrungsf hige Keime befinden Desinfektionsverfahren k nne
57. Siemens entdeckt bzw entwickelt wurde Bei diesem Verfahren wird in einem engen Ringspalt zwischen zwei metallbeschichteten Glasrohren eine Wechselspannung niederer Frequenz und im Bereich von 8 bis 11 kV angelegt Leitzke 2003 Durch diesen Ringspalt wird je nach Bedarf getrocknete Luft oder f r h here Effizienzen technischer Sauerstoff geleitet und das Sauerstoffmolek l unter der Einwirkung wandernder Elektronen Kondensatorprinzip in 29 Theoretische Grundlagen atomaren Sauerstoff gespalten der dann wiederum mit Sauerstoffmolek len zu Ozon reagiert Eliasson et al 1987 Anschlie end kann das Ozon Sauerstoff Gemisch noch durch Absorption an Silicagel oder Verfl ssigung getrennt werden Schriever et al 1980 Das Resultat ist ein Gasgemisch mit bis zu 18 vol Ozon Sauerstoff bei Verwendung von getrockneter Luft zus tzlich Stickstoff und diversen Nebenprodukten die z T bereits im vorhergehenden Kapitel beschrieben wurden hnlich zum gerade beschriebenen Vorgang wird Ozon im sog Kalten Plasma erzeugt nur hat hierbei der Bilanzraum nach au en hin keine Ladung Es werden lediglich Mikroentladungen erzeugt die ihrerseits die Ozonbildung hervorrufen Kogelschatz et al 1999 Vor allem bei der Corona Entladung ist die hohe Ozonausbeute und die best ndige Anlagentechnik ein herausragender Vorteil Diesem Vorteil stehen jedoch hohe Kosten gegen ber die sich allein schon durch die Speisegasaufbereitung und di
58. TABELLE 33 UND 34 WERTETABELLE SPR HKUGEL LINKS UND SCHWALLREINIGER TercHre 141 TABELLE 35 BERSICHT REINIGUNGSRESULTAT BEI SPR HKUGEL UND SCHWALLREINIGER 144 TABELLE 36 TR GHEIT MAXIMALE KONZENTRATIONS NDERUNGSRATEN seeenenenenenenenenenenenenenennnenenenenenenenenenenenenenenenenene 165 TABELLE 37 TR GHEITSVERHALTEN ZEITVERSCHIERUNGEN 167 TABELLE 38 WERTETABELLE F R ABBILDUNG 138 186 TABELLE 39 KONZENTRATIONSGLEICHUNGEN F R AUSGEW HLTE ZETTPUNKTE 186 TABELLE 40 VERBLEIBENDE OZONKONZENTRATIONEN BEI ELEKTRODENABSCHALTUNG nnnnananneseenennennennnnennnnnnnnnnnnennennnnnenn 187 TABELLE 41 WERTETABELLE F R ABBILDUNG 120 187 TABELLE 42 NUTZWERTANALYSE ONLINE SENSORIK seeeeeeneneneesnenenenenennnennnennnsnnnnnensnnnenennnnnenenenensnenenenenenenenenenenenenenenene 193 TABELLE 43 LANG UND KURZZEITEIGNUNG THERMOPLASTE UND EDELSTAHLE 193 TABELLE 44 LANG UND KURZZEITEIGNUNG ELASTOMERE KERAMIK 194 Abk rzungsverzeichnis IV Abk rzungsverzeichnis m ee e min RRE RR RE E BE oa ee _ eeneg _ __ RE Emer 5 RE SR E Eemer EE Reg Abk rzungsverzeichnis Abk rzungsverzeichnis RSC m RRE beim RS RE m mme en m BE EN BER mn
59. als auch elektrochemisch sehr unterschiedlichen Betriebszust nden die Unterschiede selbst bei einer Verdreifachung des Absolutdrucks 1 bar gt 3 bar im Bereich von lt 5 des Absolutwerts liegen folgt der Elektrodeneinsatz nicht dem Henry schen Gesetz Eine Erkl rung hierf r ist dass bei diesem Versuchsaufbau einer einfachen Durchstr mung nur geringf gig mehr Ozon tats chlich an der Elektrode gebildet wird bzw abtransportiert wird als auch tats chlich vom Wasser unter atmosph rischem Druck aufgenommen werden kann Dies f hrt zu der Erkenntnis dass vermutlich nur hydraulische Optimierungen s 4 2 einen Einfluss auf die Generierungsleistung haben k nnen d h den Massenstrom an tats chlich bildbarem Ozon erh hen k nnen Die Ursache f r die h heren Ozonkonzentrationen in vollentsalztem Wasser gegen ber Leitungswasser bzw generell in W ssern niedrigerer gegen ber h herer Leitf higkeit liegt darin dass in W ssern geringer lonenkonzentration neben der Wasserelektrolyse 174 Diskussion der Ergebnisse proportional weniger Konkurrenzreaktionen zur Ozonproduktion ablaufen In harten W ssern sind aufgrund der dort enthaltenen lonen wie z B Sulfat oder Nitrat diverse Nebenreaktionen m glich die in Konkurrenz zur Ozonproduktion stehen Rychen 2003 Zudem kann bereits gebildetes Ozon mit diesen lonen Reaktionen eingehen und es kommt so zu einer weiteren Verminderung der Ozonkonzentration F rster 2002
60. an die Geb udeau enwand abgef hrt werden k nnen Geht man davon aus dass bei der Elektrolyse ausschlie lich Sauerstoff und Wasserstoff entstehen und kein Gas in L sung geht was dem ung nstigsten Fall entspricht so erh lt man ausgehend vom Wassermolek l nach Faraday zwei quivalente Wasserstoff s Gleichung 103 und ein quivalent Sauerstoff s Gleichung 104 129 Ergebnisse A mer al 1 96485 3399 e mol Gleichung 103 220025 0 01866 mol no 2 96485 3399 mol Gleichung 104 Multipliziert man diese Stoffmengen mit dem molaren Normvolumen f r ideale Gase 22 4 1 nach Avogadro H ll 2002 so erh lt man unter der Pr misse dass sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff naturgem nur dimerisiert vorkommt das im ung nstigsten Fall entstehende Gasvolumen pro Amperestunde n V Von nn 0 62664 1 0 63 1 2 Gleichung 105 V Daraus ergibt sich wiederum dass maximal 320 A 0 63 I Ah 201 6 I h Gas entstehen Bei einer Schlauchleitung mit einer Nennweite resultiert eine maximale Gasgeschwindigkeit von 0 41 m s Neben den blichen GMP Bestimmungen existieren im Maschinenbau Regeln und praxisrelevante Denkweisen die ab von jeglichen Forderungen nochmals die qualitative Wertigkeit von Anlagen und Modulen im Lebensmittelsektor erh hen Neben der oberfl chlichen Reinigung von produkt bzw reinigungsmedienber hrenden Edelstahlstahloberfl chen durch das Beizen mi
61. ausnahmslos in den spitzwinkligen Ecken der Niobrauten da dort der gr te Stromdurchfluss vorherrscht Fryda 2010 Das Zusammentreffen zweier Hydroxylradikale l sst Wasserstoffperoxid entstehen Gleichung 40 die Reaktion zum molekularen Sauerstoff wird durch die bereits beschriebene berspannung unterdr ckt Bei der Entstehung von Ozon bedarf es dem Zusammentreffen von drei Hydroxylradikalen Gleichung 41 oder eines Hydroxylradikals mit im Wasser gel stem molekularem Sauerstoff Gleichung 42 Je nach angelegter Stromdichte berwiegt einer der drei genannten Mechanismen bei sehr niedrigen Stromdichten ca 0 01 A cm geometrische Elektrodenfl che ist die Wasserstoffperoxidbildung bevorzugt dar ber die Ozonbildung Fryda 2010 2 OH e 0 2 2e Gleichung 39 2 OH e gt H O Gleichung 40 e 1 5 H Gleichung 41 OH e O gt 0 5 Gleichung 42 Insgesamt resultiert folgende Gleichung 43 zur Herstellung von Ozon aus Hydroxylradikalen die auch als Hauptmechanismus der Ozongenerierung via EAOP postuliert wird Fryda 2003 3H 0 gt 0 6H 6e Gleichung 43 Oben stehende Gleichung erm glicht ebenfalls die Berechnung diverser Effizienzen auf die im Sp teren eingegangen wird Neben der Ozonherstellung nehmen durch das hohe Potential an den BDD Elektroden auch gel ste Elektrolyte an den anodischen 36 Theoretische Grundlagen Redoxprozessen teil Dabei entstehen ebenfalls starke O
62. der Fl ssigkeit die durch Schwebstoffe oder bereits abgestorbene Organik ausgel st werden kann Hierzu wird die Fl ssigkeit visuell kontrolliert s Abbildung 92 und Abbildung 93 Die Untersuchung f hrt aufgrund keinerlei sichtbarer Tr bung ebenfalls zu keinerlei Beanstandung 37 R d Abbildung 92 und 93 Visueller Tr bungsabgleich Druckraumf llung Alternative F llmaterialien Als Alternativen f r die Bef llung des Druckausgleichsraumes wird parallel zu obiger Untersuchung des Natriumbisulfits eine theoretische Bewertungsmatrix aufgebaut in die diverse g ngige und leicht verf gbare F llmaterialien aufgenommen werden Diese potentiellen Alternativen sind 124 Ergebnisse e Mineral le e Pflanzen le e Thermoplaste e Dwuroplaste e Beton Gips e Glycerin e Ethanol e Paraffin Insgesamt stehen f r die Berechnung der Matrix zehn betriebs und herstellungsrelevante Bewertungskriterien zur Verf gung Die gew hlten Kriterien flie en dabei mit einem festgelegten Bewertungsfaktor in die Berechnung mit ein Es werden auch Parameter festgelegt die bei Nichteinhaltung der Vorgaben zum Ausschluss des betreffenden Werkstoffes f hren Weitere Erl uterungen zu der Bewertungsmatrix sind in der Diskussion aufgef hrt 4 3 Konstruktion und Bau der Demonstrationsanlage f r die Oberfl chendesinfektion mittels elektrolytisch generiertem Ozon 4 3 1 Entwicklung einer Scale Up Systematik Neben den durch
63. der Laboranlage e Minitaturspr hkugel zur effizienten Benetzung der Oberfl chen realit tsnah gew hnliches Verh ltnis Perforation zu Gesamtoberfl che e Be und Entl ftungsventil mit beidseitig wirkendem Filtermaterial ber und Unterdruckschutz e Auslegung eines 5 Labor ZKG s 148 Ergebnisse e 51 e 1 73 60 6 e 62 5 25 e 375 h 103 mm wg Anschluss Dy 10 450 mm Bruttovolumen Vogelpohl et al 2006 e Folgende Konstruktion trug dem Rechnung Abbildung 109 Labortank f r die OF Desi Versuche auf dem rechten Bild eine Ausschnittszeichnung der oberen Ventilanordnung Bei einem Durchmesser von 125 mm einer Zargenl nge von 375 mm und einer Konush he von 103 mm Konuswinkel 60 ergibt sich eine maximale Mantelinnenfl che von 27rh ar h r 358129 4 mm 3581 3 cm 0 358 gt Zage 7S 27rh Z arg e Diese Mantelfl che ist entscheidend f r das fl chige Aufbringen von Keimsuspension als Vorbereitung f r die Desinfektionsversuche Bildet sich innerhalb des Versuchstanks ebenso ca 1 0 mm starke D nnschicht aus ergibt dies eine zu durchstr mende Fl che von ca 196 mm die mittlere Desinfektionsmittelgeschwindigkeit reduziert sich entsprechend auf ca 0 340 m s Durch die im Vor und R cklauf angebrachten Probenahmeventile ist eine Ozonmessung vor und nach dem Versp
64. der Reynoldszahl variierbare Stromst rke und Volumenstrom Temperatur 17 9 C Leitf higkeit ca 620 uS cm a 3 2 2 2 N ne D 0 01 2 mit Reynolds 0 05 2 mit Reynolds 0 1 A cm2 mit Reynolds Abbildung 66 Ozonleistung in Abh ngigkeit von der Reynoldszahl Bei den drei unterschiedlichen Stromdichten werden sehr verschiedene Effekte sichtbar Bei der sehr niedrigen Stromdichte von 10 mA cm sinkt die Ozonleistung bei der berschreitung der kritischen Reynoldszahl in geringem Ma e dies entspricht der obigen Feststellung dass die Ozonleistungen bei dieser Stromdichte in etwa identisch sind Bei der mittleren Stromdichte ist bereits eine deutliche Steigerung bei der berschreitung von Re 2320 auszumachen die bei der hohen Stromdichte bis zu einer Erh hung um 25 ansteigt s auch Abbildung 65 Anstr mwinkel zur Elektrode Durch die flexible Reaktoranordnung kann problemlos der Winkel der Anstr mung Wasser gt plane Elektrodenoberfl che zwischen 0 und 90 variiert werden Maschinen bautechnisch macht nur eine Unterteilung im 45 Schritten Sinn da der Gro teil der blichen Verbindungselemente zum Bau eines Reaktors maximal ber eine Achtelung des Einheitskreises verf gt Die bereits bei der berpr fung der Turbulenz als Optimalwert bestimmte Volumenstrom von 4 l min und die Temperatur der Stadtwasserversorgung von 16 3 ber beide Ve
65. die Aufnahme der blichen und kalkulierten Elektrodenbreiten sorgen In Abbildung 75 sind Ozonbl schen zu erkennen die in der Abstr mung der laufenden Elektrode in Richtung Carnot D se flie en Dieser Aufbau erm glicht z B auch Farbinjektionen die im Verlauf der Validierungen zumindest Anhaltspunkte bez glich der Str mungsverteilung auf die einzelnen Zwischenr ume und des Abtransports der Gasblasen geben k nnen Folgende Parameter sollen unter Zuhilfenahme des PVC Reaktors berpr ft werden e Der Plattenelektrodenabstand e Der Anstr mwinkel zur Elektrode e Die H he der Anstr mung e Zus tzliche Variationen zur Str mungslenkung Die zus tzlichen Variationen zur Str mungslenkung beschr nken sich auf die doppelte Anstr mung aus gegen berliegenden oder senkrecht stehenden Zul ufen s Abbildung 76 da erste Versuche bereits gezeigt haben dass der Wasserfluss im Reaktor bereits relativ homogen ist und voraussichtlich durch Einbauten eher gest rt w rde A NNN WEEN 7 RR KR KR EEE Wd WEN EE SCH Abbildung 76 PVC Reaktor f r einfachen oben rechts 1 5fachen oben Mitte und doppelten oben links Plattenelektrodenabstand und 4 Anstr mungsrichtungen s unten 114 Ergebnisse Erster Vergleich zwischen 1 Reaktorstudie und PVC Reaktor Einen ersten Anhaltspunkt auf die Effektivit t der neuerlichen Str mungskonzentration gibt der Vergleich zwischen der Ozonleistung in der 1
66. die Aufzeichnung der via Indigocarminmethode gemessenen Konzentrationen und Einf hrung einer logarithmischen Trendlinie in einem Diagramm dargestellt werden Ozonexposition MB 2 y 0 92071 0 0419 R 0 956 AAAA ANOO E ONON EOVON E TVONE OVON E ODON EOVON BODON BOO E E S N N 0123 4 5 6 7 8 9 101112 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40414243 4445 46 47 4849 50 51 5253 54 55 56 57 58 59 60 Zeit min Ozonaufbau 5 2 Log Ozonaufbau 5 2 Abbildung 29 Muster Ozonaufbau zur Ermittlung Ozonexposition in einem Kreislaufsystem Die von der Datenverarbeitung als g nstigste Ausgleichskurve Trendlinie gew hlte Kurve wird nun ber die Zeit integriert Da der Logarithmus am Ursprung des Koordinatensystems nicht definiert ist muss folgender Umweg gegangen werden Integration der In x Funktion durch ta In amp x In cx Gleichung 82 Papula 2003 Ausz hlen der Integralfl che von F x durch Abz hlen Einsetzen der Integralfl che als Ergebnis von F x 75 Material und Methoden F x al x x In cx C Gleichung 83 e Berechnung von Umstellen In 1 0 C alx x In x cx F x Gleichung 84 Integral durch Eruierung von vollst ndig gel st Bei der Abt tung suspendierter Keime un
67. die GMP Richtlinien festgelegten Parametern Str mungsgeschwindigkeit Druckverlust Hygienic Design Regeln und diversen baulichen Einschr nkungen z B Oberfl chenrauigkeit ist die Auslegung des Oberfl chen Desinfektions Demonstrators an weitere Kriterien gekoppelt Diese beziehen sich auf den in der Demonstrationsphase vorhandenen Tank und die allgemeine Dimensionierung der Desinfektionsanlage Als bauliche Auslegungsgrundlage steht ein flachkonischer G rtank der 220 hl fasst und ber ein Rohrb ndel an die gew hnliche CIP Reinigung angeschlossen ist zur Konzeption des Oberfl chendemonstrators zur Verf gung Als Alternative kann ein zylindrokonischer G rtank verwendet werden dessen Charakteristik aber der des obigen G rtanks stark hnelt s sp ter Die Anlagenkonzeption soll ber das Up scale der Laboranlage unter Zuhilfenahme bereits gewonnener Erfahrungen aus dem Bau der halbtechnischen Versuchsanlage f r die Ozonleistungs und Entkalkungsversuche realisiert werden Es ist ebenso m glich oben genannten Tank von der Stapel CIP Reinigungsanlage abzukoppeln und ihn mit einer Demonstrator eigenen Pumpe einer Sumpfdesinfektion zu unterziehen die Stapeldesinfektion wird aufgrund der geringen Depotwirkung des Ozons vorerst kategorisch ausgeschlossen da bei einem zu langen Rohrleitungsverlauf und hohen Verweilzeiten des Desinfektionsmediums nur eine geringe Restozonkonzentration zur Generierung hoher Ozonexpositionen im Vorlauf de
68. einer Doppelbindung 121 pm liegt der Winkel zwischen den drei Sauerstoffatomen entspricht 116 8 Im Gegensatz zu Sauerstoff hat Ozon ein schwaches Dipolmoment von u 0 53 Schriever et al 1980 Es verf gt ber eine relative Molek lmasse von 47 998 und liegt bei berschreiten des Siedepunktes von 111 7 C gasf rmig mit einer Dichte von 2 144 g l bei 0 C und 1013 mbar vor Im Wellenl ngenbereich von 220 bis 300 nm weist Ozon eine starke Adsorption auf diese sogenannte Hartley Bande hat ein Maximum von 256 nm Ardon 1965 Die L slichkeitsgrenze in Wasser betr gt etwa 20 mg l bei 20 C und atmosph rischem Druck hierbei gibt es jedoch keine einhellige Meinung die Werte reichen von 3 bis 576 mg l Schriever et al 1980 Schumacher 2005 Ullmann 1981 Nissen 1986 Postlethwait et al 1998 Am besten findet die Einbringung unter starker Turbulenz statt welche durch eine Reynolds Zahl gr er als 10000 charakterisiert ist Man spricht in diesem Bereich auch von absoluter Turbulenz Bendlin et al 2004 In Tabelle 9 ist der Bunsen sche Adsorptionskoeffizient f r Ozon angegeben Theoretische Grundlagen mithilfe dessen der Gehalt an in Wasser gel stem Ozon berechnet werden kann Weitere Informationen zur L slichkeit von Gasen sind der Fachliteratur zu entnehmen H ll 2002 Tabelle 9 Bunsen scher Absorptionskoeffizient f r Ozon nach Gmelin DVGW Regelwerk 2002 Wassertemperatur
69. eingestellt Die folgenden Tabellen dienen zur Ermittlung der freien Durchgangsfl che bei g ngigen Stackgr en 112 Ergebnisse Tabelle 23 und 24 Berechnung der freien Durchgangsfl che bei den momentan g ngigsten Stackgr en bei Einbau in den PVC Reaktor 4 g h Nominalleistung 6 g h Nominalleistung L nge Reaktor 96 mm L nge Reaktor 96 mm Breite Reaktor 76 mm Breite Reaktor 96 mm Fl che Reaktor 7296 mm Fl che Reaktor 9216 mm Anzahl PVDF Anzahl PVDF 3 Verschraubungen Verschraubungen Fl che PVDF Fl che PVDF 558 mm Schrauben Schrauben Anzahl Anzahl 6 Plattenelektroden Plattenelektroden Fl che Elektroden Fl che Elektroden 1394 mm Anzahl Anzahl 15 Abstandsh lsen Abstandsh lsen Fl che Fl che Abstandsh lsen N Abstandsh lsen Fl che Inliner 2722 mm Fl che Inliner 3067 mm Seitliches Spiel 456 mm Seitliches Spiel 191 mm Freie 2131 mm Freie Buch 2604 mm gangsfl che gangsfl che Abbildung 74 und 75 PVC Reaktor seitlich links und in Betrieb von oben rechts In den Abbildungen oben ist der PVC Reaktor dargestellt in Abbildung 74 sieht man die seitlich angestr mten Elektroden deren Plattenabst nde noch nicht variiert wurden Im Lichtschein sind ebenfalls seitliche Halteplatten auch Inliner genannt sichtbar die im 113 Ergebnisse erw hnten Baukastensystem f r
70. entsprechenden Alarme in Bezug auf den Systemdruck festgelegt Die Einstellungen sind sowohl reinigungsarmaturen als auch tankspezifisch und m ssen in einer Inbetriebnahmephase angepasst werden 131 Ergebnisse Anzeigen im Statusfenster e Pumpe Ein Aus Drehzahl in e Druck in bar e Gesamtvolumenstrom Trockenlaufschutz in m h unten e Gesamtvolumenstrom in m h oben e 3x Einzelvolumenstr me in m h ber Elektroden e 3 x Einzelgenerator mit IST Strom und IST Spannung im Handbetrieb auch SOLL Stromvorgabe e und Leitf higkeit e Ozonmessung Mettler Toledo SWAN Hach Lange e Alarm Warnung oben rechts e Anzeige Handbetrieb Automatik Desinfektion oben links e Tags Schalter zur Anzeige der Nummern im R amp l Schema Im Meldearchiv k nnen bei Unsicherheiten alle quittierten Meldungen nochmals angezeigt werden s Abbildung Anhang 6 EH SIMATIC WinCC flexible Runtime Eak SIMATIC FAMEL AUTO HAND DESINFEKTION Tags BETRIEBSART Abbildung 94 Statusfenster Steuerung Aus Gr nden der bersichtlichkeit sind au er dem Statusfenster s Abbildung 94 keine weiteren Visualisierungsbilder im Flie text vorhanden Diese sind im Anhang einzusehen auf den sich wiederum die Querverweise im Text beziehen Die Steuerung ist nach folgendem Schema aufgebaut 132 Ergebnisse Tabelle 31 bersicht Visualisierungsfenster Demonstratorsteuerung berg
71. es sich um die Behandlung von Reinst und Trinkwasser handelt TU M nchen 2001 In den Berechnungen s 3 4 werden s mtliche f r die sp teren Validierungen wichtigen Kenngr en eruiert Radikalischer CSB Abbau Das Oxidationspotential der Hydroxylradikale ist gen gend hoch um organische Verbindungen unterschiedlichster Art und Konzentration zu zu oxidieren insofern die Bildung von Ozon im Hintergrund steht Je nach Stromdichte und Elektrodenfl che kann dabei eine variierende Menge an Hydroxylradikalen erzeugt werden Panizza et al 2009 Die Menge an abzubauenden Stoffen wird durch den CSB Wert Chemischer Sauerstoffbedarf ausgedr ckt Er gibt die Menge Sauerstoff an die hypothetisch notwendig w re um alle Stoffe vollst ndig aufzuoxidieren Grundlegend ist die Reduzierung des CSBs von 2 Faktoren abh ngig n mlich der Stromdichte und der Menge an noch vorhandenem CSB Die Stromdichte ist wiederum proportional zur Menge der gebildeten OH Radikale pro Fl cheneinheit Es bestehen jedoch 2 unterschiedliche M glichkeiten des Abbaus entweder wird die Reaktion durch den Massentransport der zu oxidierenden Stoffe zur Elektrode hin begrenzt Abbau nach Comninellis Michaud oder durch die angelegte Stromst rke und die damit gebildeten Hydroxylradikale Faraday scher Abbau Bei Ersterem ist eine Stromausbeute von 100 nicht m glich bei Zweiterem gibt J m t jene Stromdichte an bei der zur Zeit t eine Stromausbeute von
72. f r die Konstruktion von Elektrolyseanlagen elementar da der entstehende Wasserstoff aufgrund seiner Explosivit t untere Entz ndungsgrenze von 4 vol abgef hrt werden muss Gem T V Auskunft muss Wasserstoff mindestens 1 100 verd nnt werden was entweder durch eine Zwangsventilation oder die Abf hrung an eine frei durch die Au enluft anstr mbare Geb udewand realisiert werden kann Bremer 2009 Ozonexposition Um bei den mikrobiologischen Versuchen vergleichbare Werte zu erhalten kann die sog Ozonexposition errechnet werden Sie ist ein normiertes Ma f r die Wirkung von Desinfektionsmitteln auf Mikroorganismen und Organik im Allgemeinen auch Oxidationen 74 Material und Methoden von anorganischen Bestandteilen k nnen durch sie normiert werden und berechnet sich aus dem zeitlichen Integral der Ozonkonzentration s Gleichung 81 T fe t Gleichung 81 0 Schumacher 2005 Der Ozonaufbau mittels konstanten Stromflusses in einem zirkul ren System folgt naturgem einer logarithmischen Funktion Einerseits wird immer eine hnliche Ozonmenge und masse pro Zeiteinheit gebildet andererseits wird durch den exponentiellen Abbau in h heren Konzentrationsbereichen unverh ltnism ig viel Ozon pro Zeiteinheit degradiert zus tzlich wird ein gewisser Anteil des bereits in der L sung vorhandenen Ozons durch die kathodische Reduktion wieder in Sauerstoff berf hrt Die resultierende Funktion kann durch
73. hierbei um eine Kreislaufanlage deren einziges Ziel der Langzeitbetrieb von BDD Elektroden ohne zu gro en 83 Material und Methoden Wasserverbrauch ist Hierf r kann im Puffertank Wasser beliebiger Qualit t z B einer gewissen Leitf higkeit vorgelegt werden das mittels der frequenzgeregelten Pumpe ber einen Vorfilter und diverse Messtechnik zur Elektrode geleitet wird Direkt im Anschluss an den Puffertank befindet sich ein Plattenw rmetauscher zugef hrt der eine konstante Temperatur bei Kreislaufversuchen gew hrleistet Dahinter sorgt eine UV Lampe bei Bedarf f r die Ozonzerst rung sodass auch ber l ngeren Zeitraum ozonfreies Wasser im Rest des Systems umgepumpt werden kann Die ultraviolette Strahlung verf gt ber eine zur Ozondegradation optimale Wellenl nge von 254 nm Dies hat den Vorteil dass residuales Ozon Analysen wie z B den Leistungstest aufgrund der nicht quantifizierbaren einfach eingetragenen Ozonmenge zunichtemachen w rde Die Pumpenauslegung f r den Kreislauf ist trotz der relativ geringen Nennweite von 25 mm in einem Maximalbereich von 10 angesiedelt Normbereich bis 5 m h um partiell h here Volumenstr me erzeugen zu k nnen Bei ausgeschalteter UV Lampe verbessert dies den Desinfektionseffekt im Puffertank der mittels Spr hkugel sanitisiert werden kann Beide Filterelemente sind f r einen maximalen Druckverlust von 0 2 bar ausgelegt und mit Kerzen einer Maschenweite von 200 um ve
74. hrt ber 48 Stunden k nnen mittels Datenaufzeichnung und Vergleich der resultierenden Klemmspannungen f r den Langzeitbetrieb optimale Betriebspunkte gefunden werden Zus tzlich soll die Verkalkung der BDD Elektroden sichtbar gemacht werden Durch Anlegen dreier verschiedener Stromdichten 30 60 und 120 mA cm an einer 4 g h Elektrode an ergibt sich ein Einschaltwiderstand der sich w hrend der Versuchslaufzeit entwickelt Wiederum wurde wegen der nicht ausreichenden Sensorik der Laboranlage Alarmfunktionen f r den durchgehenden Betrieb nicht ausreichend die Demonstrationsanlage gew hlt jedoch eine neuwertige 4g h Elektrode statt der 94 Ergebnisse Standardausr stung des Demonstrators verwendet Auf das Einf gen von Vertrauensbereichen wurde aus Gr nden der bersichtlichkeit verzichtet Generell lagen die Abweichungen im Bereich von 0 1 V was in Anbetracht der Absolutwerte der Klemmspannung nur marginale Abweichungen zur Folge hat Die Amin tigen Umpolzyklen wurden ebenfalls der bersichtlichkeit halber ausgeblendet Spannungsentwicklung bei unterschiedlichen Stromdichten Temperatur ca 20 C Volumenstrom 4 m3 h Leitf higkeit ca 510 uS cm Elektrodengr e 4 g h 2 3 Q 19 12 24 0 28 48 33 36 38 24 Zeit h Spannungsverlauf 30 mA cm2 Spannungsverlauf 60 mA cm2 Spannungsverlauf 120 mA cm2 Abbildung 43 Spannungsentwicklung bei
75. im Bereich von 25 und 50 mbar Druckverlust bzw Differenzdruck ist ein eindeutiges Maximum bzw Optimum zu erkennen weshalb auch in einer realen Anlage ein Druckverlust in dieser Gr enordnung angestrebt werden sollte Die Summe der oben beschriebenen Erkenntnisse f hrt zu einer ersten Reaktorkonfiguration die im Ergebnisteil dargestellt ist 5 2 2 Konstruktion und Validierung 1 Reaktorstudie Trotz der tadellosen Ergebnisse auf Laborebene l sst die Betrachtung im halbtechnischen Ma stab deutlich bessere Einsch tzungen bez glich einer Str mungsverteilung zu gerade in Anbetracht der Tatsache dass in der Realit t fast immer mehrere Elektroden zu gro en Stacks Hampel et al 2005 zusammengefasst sind was im Laborma stab mangels ben tigter Elektrodenfl che nicht der Fall ist Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist die Plausibilit t der Konstruktionen d h dass auch die Baubarkeit einer solchen Studie erst auf Fertigungsebene gepr ft werden muss So k nnen z B nicht hygienic design gerechte Stellen z T erst durch die und an der plastischen Verwirklichung von Konstruktionen ermittelt und eliminiert werden Hofmann 2006 177 Diskussion der Ergebnisse Mit der Konstruktion sind s mtliche Erkenntnisse aus dem Laborma stab umgesetzt worden die darauf folgende Validierung zeigt jedoch eklatante Unterschiede in der Praxisperformance auf Man erkennt ein deutliches Effizienzdefizit zur Nominalleistung die bei 120
76. ist wurde dieser bei ungen gender Anzahl an berechenbaren 71 Material und Methoden Werten mit Null gleichgesetzt sodass nur der Minuend den MLK Wert bildet und teilweise die Formulierung gt verwendet werden musste MLK log AK log Gleichung 74 Mit MLK mittlere logarithmische Keimzahlreduktion AK Ausgangskeimzahl EK Eingangskeimzahl Wiederfindung Eine weitere Definition des MLK s Gleichung 75 bildet eine berleitung zu den gewohnten und bekannten Gr en aus der Mikrobiologie MLK Gleichung 75 D Mit t Einwirkzeit des Desinfektionsmediums D D Wert Ausgew hlte Keime Die vom Lehrstuhl f r mikrobielle kologie herangez chteten und f r die Versuche im Laborma stab verwendeten Keime sind in Tabelle 18 dargestellt Tabelle 18 Validierungskeime Labor Lang Halter 2010 Stamm Nr ZIEL DSMZ Sammlungen Saccharomyces WSYC 100 70449 cerevisiae Escherichia coli WS 1322 30083 ATCC 11775 Staphylococcus WS 2438 20231 ATCC 12600 aureus Aspergillus ZE1115 Eigenisolat niger 667 F r die Praxisversuche wurde aufgrund des Produktgef hrdungspotentials der brauereieigene Hefestamm W 34 70 erst im Labor auf die erforderliche Keimzahl hochgez chtet um dann wiederum die bereitgestellten Tanks beimpfen zu k nnen 3 3 9 Riboflavin Test Der Riboflavintest gem VDMA Merkblatt ist ein Fluoreszenztest zur ber
77. jedoch dennoch in Kauf genommen werden Sonstige Einflussgr en Erg nzend zu den bisher aufgef hrten Argumenten der Verfahrensbewertung wird im Folgenden auf weitere Parameter eingegangen die einen Einfluss auf die Effizienz des Verfahrens und damit seine Einsetzbarkeit haben Zudem birgt die Elektrolyse an sich gewisse Risiken f r den Anwender Neben der Leitf higkeit und der Temperatur deren Auswirkungen auf die Ozongenerierung bereits diskutiert wurden ist die organische Belastung des verwendeten Wassers ebenfalls von gro er Bedeutung Hohe CSB bzw TOC Werte im Brau oder Brauchwasser k nnen die Ozongenerierung durch die Abreaktion der Hydroxylradikale erheblich einschr nken Deswegen muss vor Installation gepr ft werden ob Wasser einer hinreichenden Qualit t geliefert werden kann Eine Online Ozonmessung kann in diesem Fall bereits das korrekte Kontrollorgan sein Die Reinigung der zu desinfizierenden Tanks spielt ebenfalls eine gro e Rolle f r einen erfolgreichen Desinfektionsschritt Einerseits kann die Keimzahl auf der Tankoberfl che bereits bei der Reinigung stark dezimiert werden andererseits kommen nach einer effektiven Reinigung Effekte wie Eiwei fehler oder hohe CSB TOC Werte im Tanksumpf kaum mehr zum Tragen Ein Verbleib des sauren Reinigungsmittels kann im extremsten Fall sogar zu einer Effizienzsteigerung f hren da Ozon im sauren Milieu ber eine h here Oxidationskraft verf gt Ostwald 2009 Alle Kom
78. oxidativen Desinfektionsagenzien ist die Kenntnis der Werkstoffvertr glichkeit erforderlich Vor allem bei neu konzipierten Anlagen bzw Kellern kann diese Erfahrung in die Auswahl der Ger tschaften bzw deren Ausf hrung einflie en Bei der Umr stung von Bestandsanlagen kann zumindest innerhalb der Wartungszyklen auf die Materialvertr glichkeit eingegangen werden indem z B best ndige Elastomere als Dichtungswerkstoff verwendet werden F r den Materialtest werden jeweils drei Materialstreifen bzw Originaldichtungen ausgew hlt die f r gew hnlich beim Modulbau eingesetzt werden e Die Plattenwerkstoffe verf gen ber ann hernd identische Oberfl chen Edelstahl wie Kunststoff ca 5400 mm e Bei den Kunststoffen Thermoplaste und Elastomere ergibt sich dadurch eine hnliche Masse von 15 35 g Werkst ck selbst die Elastomere liegen mit ca 25 g Einwaage in diesem Bereich e Die Edelst hle haben mit ca 60 g Materialstreifen die h chsten Einwaagen was aber zugunsten hnlicher oxidierbarer Oberfl chen toleriert wird e F r den Test wird die Demonstrationsanlage einstr ngig mit einer Ozonleistung von maximal 4 g h verwendet e Der Volumenstrom ber die Materialstrecke wird auf 600 I h fixiert alle 6 Materialbeh lter 100 I h der Aufbau kann in Abbildung 128 eingesehen werden 167 Ergebnisse Abbildung 128 Versuchsaufbau Materialtest zu sehen sind die einzelnen Materialkapseln bef llt mit Material
79. r die kompromisslose Einwilligung bez glich der Betreuung Dr Karl Glas PD Dr Thomas Letzel Dr Carolin Heim Dr Cornelia Eder Dr Kwonyul Song Dr Evi Lang Halter Angela Kempe Christoph Sedlaczek in Vertretung f r die gesamte Belegschaft der ESAU amp HUEBER GmbH Dr Klaus Michael Mangold Dr Claudia Weidlich J rgen Schuster Eduard Belke Markus Haar Robert Kulozik Matthias Schiefer Katharina Kr hling Richard Gei Veronika Pabst Ernst Fr hlich Marwa Saif al Siyabi Matthias Klimpke David M hlberger Johannes Zieglmeier Inhaltsverzeichnis 1 2 Inhaltsverzeichnis EINLEITUNG EE 1 THEORETISCHE 5 2 1 GRUNDLAGEN DER DESINFEKTION UND OBERFL CHENDESINFEKTION 5 2 2 DER DESINFEKTION ENNEN 12 2 3 EIGNUNG KONVENTIONELLER UND MODERNER DESINFEKTIONSMITTEL ZUR 16 24 2 e Ee 21 2 4 1 Charakterisierung und Desinfektionsnebenprodukte uuuu22222222020000nennnnnnnnnnnennnnnnnennnnnennnnnn 21 2 4 2 Konventionelle Herstellungsverfahren mit Vor und 29 2 4 3 Advanced oxidation process und Hvdrosvlrodikole 31 2 4 4 der Ozon Online Sensorik 34 2 5 _ELEKTROLYTISCHE OZONERZEUGUNG BER BOR
80. rke bei drei frei gew hlten Zeiten berechnet und anschlie end in Abbildung 139 dargestellt Tabelle 41 Wertetabelle f r Abbildung 139 Coen mg l f r Stromvorgabe Funktion t 100 min t 120 t 140 80 54 80 7 0 027 0 006 0 001 160 A 0 9265 e 0 153 0 107 0 075 240 A 1 594 e 0 238 0 163 0 111 320 A DEE GT fe 0 379 0 239 0 151 187 Diskussion der Ergebnisse Ozonabbau 2 Phase berechnete Werte ka E S 5 N 2 N 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Stromvorgabe 100 Gesamtversuchsdauer 120 min Gesamtversuchsdauer 140 min Gesamtversuchsdauer Abbildung 139 Berechnete Werte Ozonabbau Wie in Abbildung 139 ersichtlich ist ergibt sich erneut eine sehr gute Linearit t zwischen der Stromvorgabe und der daraus resultierenden Ozonkonzentration Dies bedeutet wiederum dass die Exponentialfunktionen in Abbildung 98 zur Stromvorgabe proportional nach oben verschoben sind Der gemittelte Schnittpunkt der drei Linearfunktionen mit der x Achse betr gt 63 1 A Dieser Wert ist als Grenzwert zu betrachten bei dem mit exakt gleicher Versuchsdurchf hrung ab 100 Minuten mit keiner Ozonkonzentration im Wasser mehr zu rechnen ist Da f r diesen Wert und f r die linearen Gleichungen allerdings die identische Versuchsdurchf hrung n tig ist wird nicht mehr n her dara
81. sind die postulierten Expositionen jedoch in der Regel nicht direkt auf diese bertragbar Abbildung 9 zeigt das Gesamtergebnis diverser Versuche mit Trinkwasserkeimen die im einfachen Durchlauf mit einer Einwirkdauer von 5 Minuten und den angegebenen Ozonkonzentrationen behandelt wurden Hierbei wurden Versuche nur als erfolgreich gewertet wenn kein einziger Keim 0 auf der y Achse von 10 KBE 100 nach Behandlungsstopp nachweisbar war Noll 2006 Aus der Abbildung geht hervor dass die f r gew hnlich vorausgesetzten 0 4 mg l mit 4 Minuten Einwirkzeit nicht notwendig sind um ein breites Spektrum an ubiquit r vorkommenden Validierungskeimen abzut ten Bei einem weiteren Test zur Best tigung der Desinfektionswirkung der Elektroden auf Pseudomonas aeruginosa und Escherichia coli konnte bewiesen werden dass sogar im einfachen Durchlauf unter Einhaltung gewisser hydraulischer Bedingungen eine Abt tung von 4 log Stufen m glich ist wie in Tabelle 13 deutlich wird Porembra 2005 39 Theoretische Grundlagen Abt tung Mikroorganismen allgemein 100 0 e 90 0 80 0 F Saccharomyces carlsbergensis ST 34 70 0 A Pediococcus damnosus 60 0 Lactobacillus brevis 50 0 KBE E Coli 40 0 30 0 20 0 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 ppb Ozon Abbildung 9 Abt tung von verschiedenen Mikroorganismen innerhalb von 5 m
82. skalierter Messmethodik nicht eingegangen Hierf r wird in der Praxisphase die Messung mittels ATP Test etabliert Aus der Gegenrechnung theoretisch aufgebrachte Keime zu Wiederfindung l sst sich ableiten dass ca 50 der Keime die auf der Oberfl che angetrocknet sind durch die Wirkung der Spr hkugel abgel st werden Diese Betrachtung gilt jedoch nur f r den Zeitraum ohne Ozon als zus tzlichen abl sungsbedingenden Faktor Zeitliche Mittlere Logarithmische Keimzahlreduktion Tankdesinfektion Stromst rke 2 5 5 A Temperatur 17 C Volumenstrom 4 I min Puffervolumen 2 1 Leitf higkeit ca 620 uS cm 5 0 1 36571 1 2537 R 0 9648 9 o 2 5 1 21941 0 1313 R 0 9989 20 25 Zeit min MLK Ozon Tank 2 5 A MLK Ozon Tank 5 0 A Log MLK Ozon Tank 2 5 A Log MLK Ozon Tank 5 0 A Abbildung 114 Zeitliche mittlere logarithmische Keimzahlreduktion Tankdesinfektion Deutlich zu erkennen sind die Unterschiede zwischen der Desinfektionswirkung bei 2 5 und bei 5 0 A W hrend bei der geringeren Stromst rke nur gut 4 log Stufen erreicht werden ist 154 Ergebnisse es mit 5 0 A und der entsprechenden Ladung von 3 33 Ah bei 40 min Desinfektion m glich die Keimzahl um 6 10er Potenzen zu erniedrigen Trotz der eher komplizierten Ozonanalytik bei den Suspensionsversuchen ist es bei der Tankdesinfektion m gli
83. ssigproben durch die quantitative Bestimmung von intra und extrazellul rem ATP muss laut Herstellerangaben vor der Validierung eines Prozesses bzw vor der sicheren Nutzung eine Korrelation zu einer validen mikrobiologischen Messmethode erstellt werden Aufgrund einer immensen Anzahl von mittels Nachweis auf N hragar bestimmten und verl sslichen Keimzahlen und parallel dazu durchgef hrten ATP Messungen in Rinsw ssern l sst sich das Verh ltnis von KBE Kolonie bildende Einheit und rlu relative light units darstellen Insgesamt wurden 384 Keimzahlen bestimmt von denen ca 250 auswertbar waren und in das Diagramm s Abbildung 116 einflie en Aus Gr nden der bersichtlichkeit wird die x Achse auf maximal 3500 rlu beschr nkt weswegen wiederum nur ca 150 Wertepaare dargestellt sind 155 Ergebnisse Vergleich von Standardmikrobiologie zum ATP Test Rinswassertest Stromvorgabe 80 200 320A Temperatur 12 15 C Volumenstrom 11 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m Druckverlust 1 5 2 7 bar Spr hkugel und Schwallreiniger ATP Test rlu rlu zu KBE Abbildung 116 Abgleich ATP und Standardmikrobiologie Die obige Gegen berstellung l sst die Feststellung zu dass zwar relativ viele Werte mit einem positiven Befund anhand der ATP Methode und keinem feststellbaren standardmikrobiologischen Befund existieren jedoch keine KBE unter einer Schwelle von 600 cfu festgestellt werden k nn
84. umgepolt so dass bei jeder Stromst rke sowohl die rechte BDD Elektrode als auch die linke BDD Elektrode als Anode verwendet wird berdies erfolgt die Probenahme unabh ngig vom Umpolintervall nach 52 Theoretische Grundlagen einer Einlaufphase von mindestens 2 Umpolungen jeweils gegen Ende der darauffolgenden Intervalle Das bedeutet dass jede Elektrode vor der Probenahme mindestens einmal als Kathode und einmal als Anode polarisiert wurde Der Leistungstest erfolgt f r beide Seiten der Elektrodenpaare des BDD Stacks d h es wird zun chst eine Probe w hrend der anodischen Polarisierung der rechten Seite des Stacks gezogen dann nach erfolgter Umpolung w hrend der anodischen Polarisierung der linken Seite des Stacks polarisiert wird Der Probezug erfolgt eine Minute vor der jeweils n chsten Umpolung 20 Sekunden vor der Probenahme wird der Entnahmehahn ge ffnet um etwas Wasser vorlaufen zu lassen Die Leistungstests werden bei einem Druck von 0 2 0 5 bar gegen ber dem Au endruck bei unterschiedlichen Volumenstr men und meist bei Raumtemperatur in Leitungswasser durchgef hrt Durch die Dokumentation aller notwendigen Parameter lassen sich zudem Ozonleistung Stromausbeute und Ozoneffizienz berechnen Die Auftragung erfolgt dann wiederum je nach Bedarf gegen die hydraulischen Parameter wie Volumenstrom oder Reynoldszahl 53 Material und Methoden 3 Material und Methoden 3 1 Diamantbeschichtete Ele
85. und h ngt gem Gleichung 51 von den Parametern Leiterl nge und querschnitt ab Die Proportionalit tskonstante p nennt sich spezifischer Widerstand und h ngt entsprechend vom Leitermaterial ab TU M nchen 2001 Ose 2003 R S Gleichung 50 R p Z Gleichung 51 Der Kehrwert dieses spezifischen Widerstandes wird als Leitf higkeit o bezeichnet s Gleichung 52 Diese ist einer der Hauptparameter der Wasseraufbereitung da sich die Salzkonzentration und zumeist sogar die ungef hre Wasserh rte aus der Kennzahl ableiten lassen In Bezug auf die elektrolytische Ozongenerierung ist die Leitf higkeit als Indikator f r Konkurrenzreaktionen an der Anodenoberfl che zu sehen S mtliche sich in L sung befindlichen Elektrolyte k nnen anstatt des Wassermolek ls in den aktiven Zentren der Elektroden aufoxidiert werden und senken so die Leistungsf higkeit TU M nchen 2001 Ose 2003 R Gleichung 52 C A Unter den oben beschriebenen Voraussetzungen ist nun eine Elektrolyse m glich In der Regel dient dieser Vorgang dazu Metalle aus ihren Salzen zu isolieren nachdem sie elektrolytisch dissoziiert wurden also in ein L sungsmittel wie Wasser eingebracht wurden und dieses wiederum mittels Anlegen eines Stromes zwischen zwei meist metallischen Elektroden behandelt wird Die Ionen werden durch Elektronenaufnahme oder abgabe zu Atomen bzw Molek len und k nnen so an den Elektroden abgeschieden werden In Gleichung 53 wird der Zusa
86. unuo Dunssauszip1umgonn Be gu D b cx 02 6 4 9 araWwouow a lazuoyanyug AN wa 4sAsa osog adund WO44LSUSWN OoAL NDOH adung S ZINYISINDOJUaND0AL Sp SES Dem 1 4 Abbildung 34 R amp I Schema der halbtechnischen Versuchsanlage zur Evaluierung von Entkalkungsroutinen 85 Material und Methoden 3 6 3 Demonstrationsanlage zur Oberfl chendesinfektion In Abbildung 35 ist der finale OF Desi Demonstrator zu sehen mit dem in dieser Aufnahme gerade eine Oberfl chendesinfektion durchgef hrt wurde Grunds tzlich war der Aufbau jedoch immer hnlich der Puffertank diente teilweise f r diverse Versuche der Hydraulik Kinetik und Sensorik als Vorlagebeh lter Der Tank wurde in der Regel mit einem bestimmten Wasservolumen gef llt der im Kreislauf vom Sumpf 1 ber einen PTFE Schlauch 2 in die Ozonanlage 3 gepumpt wurde ber einen weiteren Schlauch 4 die Anlage wieder verlie und ber die linke Steigleitung 5 schlie lich am Tanktop ankam Hier wurde das Wasser ber eine Reinigungsarmatur 6 verspr ht und gelangte letztendlich wieder in den Sumpf f 4 Yu Abbildung 35 Versuchsaufbau der Pilotanlage mit Tank F r jeden Versuch wurde unbehandeltes Leitungswasser verwendet die zuge
87. verwendet die Konzentrationen sind variabel und auf Basis von Anhaltspunkten aus der Literatur festgelegt e Der Strompreis f r die Pumpen und die Elektrode wird auf 11 ct kWh netto einen f r Gro verbraucher bliche Bepreisung festgelegt e Verschlei bedingt werden die Kosten f r die Elektrodenwartung pro Jahr und g h Nominalleistung als Leitparameter im Amortisationsdiagramm angegeben denen gegen ber die Einsatzkonzentration der Chemikalien steht e Kommissionierungs Lagerhaltungs Wartungs und Betreuungskosten werden zu blichen Geh ltern L hnen taxiert hierbei schwanken die Stundenl hne von 20 Brauereiangestellter Brauergeselle bis 65 Servicetechniker Ozonanlage die L hne sind Sch tzungen des Bruttoverdienstes mit Arbeitgeberanteil 198 Diskussion der Ergebnisse e Die Langlebigkeit der Ozonanlage wird auf 25 Jahre die Dosierpumpen aufgrund der hohen Chemikalienbelastung hochdosierte Grundchemikalien auf 8 Jahre gesch tzt Amortisationszeiten einer O Anlage im Vergleich zur Desinfektion mittels Monobromessigs ure 70 000 hl Brauerei 8 200 ppm 100 ppm 800 ppm N E gt w D 4 x 2 oO Q Ki lt E 5 a 20 25 30 Amortisationszeit a Abbildung 140 Amortisationszeiten elektrolytisch generiertes Ozon gegen Monobromessigs ure Der Vergleich zwischen der
88. vor der eigentlichen Reinigung und Desinfektion der produktber hrenden Oberfl chen erfolgen muss Haupts chlich wurde sie f r die Nahrungsmittel und Molkereiprodukteindustrie entwickelt findet mittlerweile aber auch z B in der Pharmaindustrie Anwendung Durch die Verringerung des Reinigungsaufwandes werden Personalkosten gesenkt gleichzeitig tr gt die CIP Reinigung zu einer Erh hung der Betriebssicherheit bei Schmidt 1989 In Betrieben in denen sich die CIP Reinigung durchgesetzt hat sind die Produktionsanlagen oder Beh lter so konzipiert dass sie entweder in einen umfassenden CIP Kreislauf eingebunden sind oder diesen selbst inkludieren Das bedeutet dass ein gesamter Bereich mit Ausnahme einiger Rohrb gen Verbindungsst cke oder Schl uche die manuell gereinigt werden m ssen direkt von der CIP Anlage angesteuert werden kann gereinigt desinfiziert und bei Bedarf ber eine R cklaufleitung ausgesp lt wird Kunze 1998 In der Brauerei erweist es sich hierbei als sinnvoll Sudhaus und W rzeweg Unfiltratbereich und Filtratbereich mittels eigener CIP Anlagen zu versorgen der Verrohrungs und Isolierungsaufwand w re andernfalls meist deutlich zu hoch Die Reinigung von Gef en wie z B Tanks erfolgt in der Regel durch berschwallung wobei von der Reinigungsarmatur Spr hkugel Schwallreiniger oder Zielstrahlreiniger die entsprechende Fl ssigkeit an die Innenwand gespr ht wird Dieser Vorgang muss so ausgelegt sein
89. zeigt dass die stark verkalkte Elektrode nach der Reinigung und dem Austausch der Membranen s Abbildung 61 optisch kaum noch von einem neuen Elektrodenstack zu unterscheiden ist 102 Ergebnisse Abbildung 61 und 62 4g h Elektrodenstack mit starken Verkalkungen nach dem Betrieb in hartem Wasser oben und nach Reinigung 1molarer Salzs ure und Tausch der Membranen unten In den vor und nach der Entkalkung und nach dem Austausch der Membranen durchgef hrten Leistungstests s Abbildung 63 zeigt sich dass die Ozonleistung des verkalkten Stacks um 30 50 also deutlich niedriger ist als die des entkalkten Stacks Durch den Austausch der Nafion Membranen steigt die Ozonproduktion nochmals st rker auf knapp die doppelte Leistung an als durch die Entkalkung mit Salzs ure allein Ozonleistung verkalkt nach Entkalkung und mit neuer Membran Temperatur 15 C Volumenstrom 2 m h Druck 0 5 bar y 0 0358x 0 2057 R 0 997 y 0 0156x 0 0367 R 0 9946 2 3 2 E N 0 0092x 0 0033 R 0 9994 15 20 Stromst rke A verkalkt entkalkt neue Membran Abbildung 63 Ozonleistung an einem verkalkten 4g h Elektrodenstack vor und nach Entkalkung und nach Membrantausch Mangold et al 2011 103 Ergebnisse 4 2 Konzeption und Konstruktion des Reaktorgeh uses 4 2 1 Optisch zug nglicher Laborreaktor
90. 1 ABBILDUNG 40 LEITF HIGKEITSABH NGIGKEIT DER OZONGENERIERUNG ss sesessrsrsrsrsrsrsrsrsrirersrttsrsrsrsrsrsrsrsrsrsesesrsrsesese 92 ABBILDUNG 41 STROMAUSBEUTE IN ABH NGIGKEIT VOM SYSTEMDRUCK seeeeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenn 93 ABBILDUNG 42 OZONAUFBAU BEI STROMST RKE UND OZONABBAU BEI LIT 94 ABBILDUNG 43 SPANNUNGSENTWICKLUNG BEI UNTERSCHIEDLICHEN STROMDICHTEN 95 ABBILDUNG 44 ELEKTRODENSTACKPERFORMANCE BEI 1 MH ANLAGE A 96 ABBILDUNG 45 ELEKTRODENSTACKPERFORMANCE BEI 2 MH ANLAGEBR 97 ABBILDUNG 46 OZONLEISTUNG BEI VERSCHIEDENEN UMPOLZEITEN MANGOLD ET AL 2011 98 ABBILDUNG 47 ABNAHME DER LEITF HIGKEIT UND CALCIUMKONZENTRATION IM VERSUCHSKREISLAUF BEI UMPOLINTERVALLEN VON 15 UND 30 MINUTEN MANGOLD ET AL 2011 99 ABBILDUNG 48 OZONPRODUKTION UND LEITF HIGKEIT IM NORMALBETRIEB NACH GEZIELTER VERKALKUNG 19 H MIT 20 A UND MIN UMPOLINTERVALL UND NACH DER ENTKALKUNG 2 H MIT IMOLARER HCL MANGOLD ET AL 2011 99 ABBILDUNG 49 UND 50 REM AUFNAHMEN EINER NEUEN LINKS UND EINER VERKALKTEN RECHTS BDD ELEKTRODE MANGOLD ETAL 20 Hi le sense 100 ABBILDUNG 51 UND 52 REM AUFNAHME EINER NEUEN LINKS UND EINER VERKALKTEN RECHTS MEMBRAN MANGOLD ET BEE 100 ABBILDUNG 53 UND 54 REM AUFNAHMEN NACH BEHANDLUNG EINER VERKALKTEN ELEKTRODE
91. 10 die die ben tigte Anodenfl che f r den Anwendungsfall ohne Ber cksichtigung der Auslegungsgrundlage Daraus ergibt sich wiederum Gleichung 111 die unter Ber cksichtigung der Nominalleistung von 20 A g h und der Maximalstromdichte von 146 mA cm die gebr uchliche Angabe der Stackgr e in g h erm glicht Hampel et al 2005 Anode I appi 75 M Gleichung 110 7 146 mA dE Gleichung 111 A anode Die Anodenvergr erung zieht jedoch auch eine erhebliche Verteuerung des Verfahrens mit sich da damit Elektrodenanschaffungs und wartungspreis deutlich um ca das Doppelte ansteigt Die billigere Variante ist hier der turnusgem e Tausch der Membranen 6 3 Ausblick auf m gliche Alternativapplikationen Anschlussprojekte Die Applikation der Technologie in anderen Bereichen der Lebensmittelindustrie l sst im Hinblick auf eine eventuell komplexere Keimflora und andere Interpretationen des Desinfektionsablaufs Spielraum f r weitere Forschungsarbeit Gerade durch die Best tigung des Desinfektionserfolges in der Brauerei ergeben sich diverse M glichkeiten in anderen Bereichen der Life Sciences 203 Fazit Lebensmittel reinr ume Produktions und Abf llanlagen f r Lebensmittel und Getr nke Aseptikbereiche Behandlung kontaminierter Produktions abw sser Produktion Diskontinuierliche ma Betriebs sanitisierungen Abbildung 143
92. 100 gerade noch m glich ist da der Prozess durch die Stromst rke limitiert ist und nicht durch den Massentransport Die limitierende Stromdichte Ju errechnet sich nach folgender Gleichung 1 Panizza et al 2009 J imt 4 F k Gleichung 59 wobei F die Farraday Konstante und km der durchschnittliche Massentransport Koeffizient ist Um eine optimale Stromausbeute von 100 zu erreichen muss bei Verwendung von bordotierten Diamantelektroden Gleichung 2 erf llt sein km betr gt damit in etwa 1 08 x 10 m s Vatistas et al 2006 CSB gt 24 7 23 Gleichung 60 2 cm 44 Theoretische Grundlagen In Abbildung 12 stellt die rote Linie Gleichung 59 dar und die Erf llung von Gleichung 60 den gelben Bereich Durch den in diesem Bereich vorhandenen berschuss an zu oxidierenden Verbindungen wird eine Stromausbeute von 100 erreicht und der Abbau des CSBs findet linear nach Gleichung 3 statt Vatistas et al 2006 r A k CSB t CSB a Gleichung 61 CSBo ist der Anfangswert a J Jimo A die Elektrodenfl che und V das Volumen des Reservoirs Die gr ne Linie repr sentiert den Verlauf einer gew hnlichen Abwasseraufbereitung bei konstanter Stromdichte und demnach sinkendem CSB Hierbei ist ersichtlich dass ab einem gewissen Punkt die Stromausbeute keine 100 mehr sein kann da sich der Massentransport limitierend auf den Abbau auswirkt In diesem Bereich ist Gleichung 6
93. 2 15 C Volumenstrom 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m Druckverlust 1 5 2 7 bar Spr hkugel und Schwallreiniger SR Desinfektionszeit 40 Minuten rlu vor Desinfektion rlu nach Desinfektion Desinfektionsgrenze 300 rlu 600 rlu 80A 80A 80A SR 80A SR 200A 200A 320A 320A Versuch I Versuch II Versuch I Versuch II Versuch I Versuch II Versuch I Versuch 11 Stromst rke Versuchsnummer Abbildung 118 Desinfektionseffizienz Tankoberfl che Bei der berpr fung der Oberfl chen ergeben sich deutliche Abweichungen zu den Rinswassertests Die vorher festgelegte Desinfektionsgrenze von 300 rlu wird nur unter Anwendung der Spr hkugel und 320 A Elektrolysestrom erreicht Selbst bei der Betrachtung der 600 rlu unter denen gem 3 3 8 kein mikrobiologischer Befund mehr festgestellt werden kann ist der Schwallreiniger nicht zur vollst ndigen Entkeimung geeignet Die Spr hkugel unterschreitet selbst bei 80 A nach 40 Minuten die 600 rlu der Schwallreiniger bleibt bei beiden Versuchen auch ber diesem Wert 4 4 4 Auswahlverfahren der Online Sensorik Im Folgenden wird das Auswahlverfahren der Online Sensorik vorgestellt Zun chst wird die Kalibrierung der Sensoren dargestellt und bewertet bevor der Einfluss der Variation des Volumenstroms des Probeflusses durch die Durchflusszellen der Sensoren auf die Messergebnisse berpr ft wird Anschlie end erfolgt die Ermittlung der Messge
94. 2 g ltig Vatistas et al 2006 Condias GmbH 2005 CSB t CSB JL E el It Gleichung 62 10 e mass transport limitation region 1000 E 10 d 10 kp 3 1 7 current limitation region LULU 0 01 0 1 1 10 100 chemical oxygen demand g Abbildung 12 Massentransport und Stromlimitation Condias GmbH 2005 Dieser Umbruch von einer linearen Abbaufunktion zu einer e Funktion ist in Abbildung 13 dargestellt Der ICE Wert Instant Current Efficiency gibt wiederum die Stromausbeute an Hier ist ebenfalls ersichtlich dass im massenstromabh ngigen Bereich keine 100 mehr erreicht werden Panizza et al 2009 45 Theoretische Grundlagen A B 0 1 Ee OCOD exp Ve o 0 ICE t 100 Akm 1 0 ICE exp Dis WR o t Abbildung 13 Reale Abbaufunktion mit linearer erster und exponentieller zweiter Abbauphase Panizza et al 2009 Zur Berechnung der ben tigten Stromdichte und des damit ben tigten Stroms kann im Fall einer Mash Elektrode Gleichung 63 benutzt werden Condias GmbH 2005 copie 292 A Gleichung 63 2 g Der Divisor 2 wird auch geometrischer Faktor genannt und tr gt der Bauform von Mash Elektroden Rechnung bei denen die Projektionsfl che bei relativ exakt 50 liegt Bei
95. 210 von Mettler Toledo und der 31330 von Hach Ultra arbeiten nach dem amperometrischen Prinzip Eine amperometrische Messzelle besteht in der Regel aus einer Metallanode und einer Metallkathode die in eine Elektrolytl sung eingetaucht sind Zwischen diesen Metallelektroden wird eine konstante Spannung angelegt so dass chemische Verbindungen die in die Messzelle eindringen an den Metallelektroden oxidiert oder reduziert werden Der resultierende Stromfluss der das Messsignal darstellt ist dabei direkt proportional zur Konzentration des umgesetzten Stoffes als Produkt der Anzahl 34 Theoretische Grundlagen der reduzierten oder oxidierten Atome Molek le lonen und deren singul rem Signal Gr ndler 2004 Kurzweil et al 2009 Um daf r zu sorgen dass nur ausgew hlte Molek le wie z B Ozon in die Messzelle gelangen um dort reagieren zu k nnen muss der Elektrodenoberfl che eine Filterschicht z eine permselektive Membran vorgesetzt werden der Sensorkopf wird bei dieser Methode permanent von frischer Probel sung umsp lt Gem dem Gesetz von Henry muss die Gaskonzentration bei gen gender Membranpermeabilit t und Wartezeit auf beiden Seiten der Membran identisch sein was die Messung erst erm glicht Durch die in der Regel integrierte Temperaturkompensation werden die Auswirkungen der Temperatur auf die Membranpermeabilit t und die L slichkeit von Ozon in Wasser ber cksichtigt Hach Ultra An
96. 6 1 berne eene legen 80 3 6 2 Halbtechnische Versuchsanlage zur Evaluierung von Entkalkungsroutinen 82 3 6 3 Demonstrationsanlage zur Oberfl chendesinfektion 86 Inhaltsverzeichnis 4 ERGEBNISSE nn ea 89 4 1 _GRUNDLAGENVERSUCHE UND ELEKTRODENSTACKBETRIEB uerueensnenseensnnnennnonnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnonsnennensennnennaen 89 4 1 1 Halbwertszeiten bei elektrolytisch generiertem 89 4 1 2 Temperaturabh ngigkeit der 90 4 1 3 Leitf higkeitsabh ngigkeit der Ozonerzeugung 90 4 14 Druckabh ngigkeit der Ozonerzeugung 92 4 1 5 Zyklische Systeme auf Loborebene 93 4 1 6 Elektrodenstockdouerberdeb AAA 94 4 1 7 Entkalkungsroutinen und erfolge 97 4 2 KONZEPTION UND KONSTRUKTION DES REAKTORGEH USES 104 4 2 1 Optisch zug nglicher Loborreoktor 104 4 2 2 Konstruktion und Validierung 1 Reaktorstudie 109 4 2 3 Optisch zug nglicher Reaktor im Praxisma stab 112 4 2 4 einer applikationsorientierten Druckraumf llung 123 4 3 KONSTRUKTION UND BAU DER DEMONSTRATIONSANLAGE F R DIE OBERFL CHENDESINFEKTION MITTELS ELEK
97. 95 ppb min 2150 ppb min Orbisphere 2085 ppb min 1042 ppb min SWAN 663 ppb min 700 ppb min 165 Ergebnisse Der Orbisphere ist der einzige der drei Sensoren bei dem es einen deutlichen Unterschied zwischen Anstiegs und Senkungswert gibt Beim Mettler und beim SWAN sind die Werte der Steigungs und Abfallsgeschwindigkeit in etwa gleich wobei der Mettler ber eine im Vergleich zum SWAN etwa dreifache Reaktionsgeschwindigkeit verf gt Diese weitere Gegebenheit ist in Abbildung 126 ebenfalls gut ersichtlich und wird im n chsten Teilabschnitt n her untersucht die Verz gerung des SWAN ist im Vergleich zum Orbisphere und Mettler deutlich gr er Zeitverschiebung Verz gerun Abschlie end zur Sensorvalidierung sollen in diesem Abschnitt die Zeitverschiebungen der Sensoren eruiert werden Unter dem Begriff ist dabei die Dauer zu verstehen die ein Sensor ben tigt um die aktuelle Ozonkonzentration zu messen zu bearbeiten und schlie lich als Ergebnis auszugeben Diese Verz gerung ist am einfachsten anhand der Umpolungen zu visualisieren zu denen die Ozonkonzentration abrupt abnimmt Dies erzeugt in den aufgezeichneten Graphen der Online Sensorik gut sichtbare Minima Die Umpolzeiten und Minima sind in Abbildung 127 mit aufgef hrt Der zugeh rige Versuch wird im Durchlaufbetrieb mit 240 A durchgef hrt Zus tzlich sind in Tabelle 37 die Mittelwerte und Konfidenzintervalle der sieben aufgenommenen Zeitvers
98. ABBILDUNG 132 GESAMTAUSWERTUNG MA 171 ABBILDUNG 133 BEWERTUNGSMATRIX DRUCKRAUMEULLUNG 180 ABBILDUNG 134 135 136 UND 137 ERL UTERUNGEN ZUR BEWERTUNGSMATRIX 181 ABBILDUNG 138 BERECHNETE WERTE OZONAUFBAU eeeeenenenenenenenenennnnnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenn 185 ABBILDUNG 139 BERECHNETE WERTE OZONABBAU neenenenenenenenenennnenenenenenennnnnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenensnenenenene 188 ABBILDUNG 140 AMORTISATIONSZEITEN ELEKTROLYTISCH GENERIERTES OZON GEGEN 6 199 ABBILDUNG 141 AMORTISATIONSZEITEN ELEKTROLYTISCH GENERIERTES OZON GEGEN PERESSIGS URE 200 ABBILDUNG 142 AMORTISATIONSZEITEN ELEKTROLYTISCH GENERIERTES OZON GEGEN 200 ABBILDUNG 143 ALTERNATIVE APPLIKATIONEN F R BDD ELEKTRODEN IM 204 Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis TABELLE 1 AUSGEW HLTE EUROP ISCHE NORMEN F R DESINFEKTIONSMITTEL GORONCY BERMES 2010 8 TABELLE 2 EINTEILUNG DER DESINFEKTIONSMITTEL NACH IHRER CHEMISCHEN REAKTION S DZUCKER AG 1998 10 TABELLE 3 VERFAHRENSSCHRITTE UND DEREN AUFGABEN BEI DER CIP REINIGUNG G NSEL AL 1998 13 TABELLE 4 SCHRITTABFOLGE DER TANKDESINFEKTION
99. AZ 24815 Becker M 2011 Validierung von Ozon zur Oberfl chendesinfektion Pr sentation Karlsruhe s n 13 15 Februar 2011 Behmel U 2010 Desinfektion f r Trink und Brauchwasser in Brauereien Teil 1 Brauwelt 2010 11 5 314 317 Behmel U 2010 Desinfektion von Trink und Brauchwasser in Brauereien Teil 2 Brauwelt 2010 15 16 S 448 Belitz H D Grosch W und Schieberle P 2008 Lehrbuch der Lebensmittelchemie 6 Heidelberg Springer Verlag 2008 5 134 Literaturverzeichnis Belke E 2010 Entwicklung eines elektrochemischen Moduls zur kombinierten Wasserdesinfektion und Kalkpr vention Vortrag zur Diplomarbeit 28 Februar 2010 Bender H et al 2007 GMP Berater Technik Schopfheim Mass amp Peither AG GMP Verlag 2007 5 99 110 Bendlin und 2004 Reinstwasser Schopfheim Maas amp Peither GMP Verlag 2004 5 133 Bendlin 2004 Reinstwasser Schopfheim Maas amp Peither GMP Verlag 2004 S 164 f Bendlin 2004 Reinstwasser Schopfheim Maas amp Peither GMP Verlag 2004 5 71 Bendlin H 2004 Reinstwasser Schopfheim Maas amp Peither GMP Verlag 2004 S 70 Bibek R und Bhunia A 2008 Fundamental Food Microbiology 4 Boca Raton CRC Press 2008 S 361 f Bodenschatz W 2006 Kompaktwissen Desinfektion Das Handbuch f r Ausbildung und Praxis Hrsg Walter Bodenschatz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 5 155 ff
100. Alternative Applikationen f r BDD Elektroden im life science Bereich W hrend sich die gedanklichen Umstrukturierungen in der Lebensmittelbranche immer mehr in Richtung der Pharmazie bewegen gibt es neben Lebensmittel reinr umen und tats chlich schon etablierten Aseptikbereichen an z B F llorganen auch diverse andere Anwendungen die f r den Einsatz von BDD Elektroden in Frage kommen Allein die Behandlung von kontaminierten Abw ssern die aufgrund der Abwasserverordnung nicht direkt eingeleitet werden d rfen stellt ein immer gr eres Problem auch in der Lebensmittelindustrie dar Entscheidet sich ein Anwender auch gegen den kontinuierlichen Einsatz von Ozon z B im Produktionsbereich so kann er immer noch eine prozessabh ngige und damit diskontinuierliche Sanitisierung seines Betriebes durchf hren Gerade im Hinblick auf die F higkeit von Ozon Biofilme schnell und zuverl ssig abzubauen erscheint eine solche Applikation als sinnvoll 204 F rderungen ZIM Projekt Entwicklung eines Verfahrens zur Desinfektion von Brauereinlagen mittels ozonhaltigen Wassers KF2436 902 HRO Gef rdert durch AR Bundesministerium f r Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Projekt NADINE Nanoskalare Modifikation von diamantbeschichteten Elektroden f r Inlinedesinfektionszwecke in unterschiedlichen Einsatzgebieten 03X 0087 C Das diesem Bericht zugr
101. Ampere bei 6 g h liegen sollte Hier werden auch bei relativ hohen Volumenstr men von bis zu 10 m h nur in etwa 66 der Nominalleistung erreicht Zudem kann auch durch eine drastische Erh hung des Volumenstroms keine Steigerung der Ozonleistung oder Stromausbeute mehr bewirkt werden Dies l sst sich momentan nur dadurch erkl ren dass es sich bei den in der Praxis verwendeten BDD Elektroden immer um eine Stackbauweise handelt was auf Laborebene schwierig zu simulieren ist Die Auftragung der Stromausbeute gegen die Reynoldszahl zeigt wiederum die deutliche Abweichung von den Laborversuchen bei denen im oberen Stromdichtenbereich eine berschreitung der kritischen Reynoldszahl f r einen deutlichen Effizienzanstieg sorgte Die verh ltnism ig gut passenden logarithmischen Funktionen lassen die Ableitung zu dass h here Volumenstr me an Elektrodenstacks zwar tendenziell zu Effizienzsteigerungen f hren diese Effekte aber sehr stark abflachen und irgendwann in eine Plateauphase bergehen Aufgrund dieser Zusammenh nge wird eine weitere Optimierungsphase mit einem optisch zug nglichen Reaktor im Praxisma stab durchgef hrt Dies soll die M glichkeit bieten die Str mungsverteilung ber Farbinjektionen besser nachvollziehen zu k nnen und in der Ausf hrung als Baukastensystem die optimalen Abst nde zwischen den Einzelelektroden und der u eren Elektroden und dem Reaktorrechteck herstellen zu k nnen 5 2 3 Bewertung der Versuche im
102. DOTIERTE DIAMANTELEKTRODEN 35 2 5 1 Grunds tzliches Verfahren des electrochemical advanced oxidation process EAOP 35 2 5 2 CVD Verfahren zur Diamantherstellung und Charakterisierung der Diamantschicht 41 2 5 3 Grundlagen der Elektrochemie 42 2 6 GMP RICHTLINIEN ZUM BAU VON CIP DESINFEKTIONSANLAGEN E 47 2 7 VERFAHREN ZUR BERPR FUNG DES ENTKALKUNGSERFOLGES UND DER 1 49 MATERIAL UND METHODEN 2 een nass res 54 3 1 ELEKTRODEN BDD MIT HERSTELLUNGSPROZESS unaeenneensennsennnunnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnan 54 KSC ee EE 58 SE NEE a 63 3 3 1 Ozonanalytik und Photometrie 63 33 2 e el E 66 E Ge E le EEN 68 E NN EE 69 3 3 5 Oberfl chenrauigkeitsmessung Tast Schnitt Verfahren 69 EN RE 69 3 3 7 Optische Untersuchungen uuunssesersssnsnnnnennnnnnnennnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnennsnnnn 70 3 3 8 Mikrobiologische Validierung 70 3 3 9 Riboflavin Testira senni Bahn BEN 72 23 BERECHNUNGEN 244442232 eher san nenne esse 73 3 5 STATISTISCHE ABSICHERUNG DER MESSWERTE ENNEN 79 3 6 VERSUCHS UND ANL GENAUFBAU u sense sn ETENE EEEE 80 3
103. Desinfektion von Koller A Hamburg Behr s Verlag 2008 Hofmann 2006 Skript Hygienic Design Freising Weihenstephan Lehrstuhl f r Maschinen und Apparatekunde TU M nchen 2006 Hoigne J und Bader 1977 Beeinflussung der Oxidationswirkung von Ozon und OH Radikalen durch Carbonat Vom Wasser 1977 48 S 238 304 Hoigne J und Bader 1976 The Role of Hydroxyl Radical Reactions in Ozonation Processes in Aqueous Solutions Water Research 10 1976 S 377 386 H ll K 2002 Wasser 8 Berlin New York De Gruyter 2002 S 56 f Literaturverzeichnis Horn H 2009 Verfahrenskombination bei der Ozonierung Pr sentation Wasserseminar 2009 2009 lotronic GmbH 2010 Online lotronic GmbH 2010 Zitat vom 25 Mai 2010 http www iotronic de deutsch info wasserdesinfektion_alternativ html Johnson R L Tratnyek P G und O Brien Johnson R 2008 Persulfate Persistance under Thermal Activation Conditions Environment Science Technology 2008 42 S 9350 9356 Jordanis C et al 1985 Elektrochemische Abscheidung von Sauerstoff und Ozon an Bleidioxid Platinanoden in w ssrigen Elektrolyten Electrochimica Acta 1985 30 S 753 756 Karsten U 2009 UV Anpassung Online 2009 Zitat vom 25 August 2009 http www biologie uni rostock de angoekol Ulf uvanpassung htm KHS TILL 2007 washing sterilising filling and handling Brosch re Bad Kreuznach s
104. Druckverlust von 1 5 bar f r die Spr hkugel ausgew hlt w hrend f r den Schwallreiniger ein Volumenstrom von 11 bei einem Druckverlust von 2 8 bar gew hlt wird Energetische Betrachtung der Reinigungsarmaturen Auf Basis dieser Erkenntnisse soll die jeweils ben tigte Energie der Pumpe an den Betriebspunkten miteinander verglichen werden F r den energetischen Vergleich ist in Abbildung 103 der Volumenstrom in Abh ngigkeit der Pumpendrehzahl aufgetragen Darin ist zu erkennen dass der h here Druckverlust beim Betrieb mit dem Schwallreiniger generell h here Drehzahlen der Pumpe bedingt und damit mehr Energie verbraucht wird Der Leistungsbedarf der Kreiselpumpe steigt dabei n herungsweise mit der dritten Potenz der Drehzahl an n Grote et al 2007 Der Arbeitspunkt der Spr hkugel 12 m h 1 5 bar Drehzahl lt 2043 3 min und des Schwallreinigers 11 mh 2 8 bar Drehzahl nsr 2189 25 min H werden nun energetisch direkt miteinander verglichen In nachstehender Berechnung wird das Verh ltnis der Leistungsaufnahme der Pumpe bei Betrieb der Spr hkugel Ps mit der Leistungsaufnahme bei Betrieb des Schwallreinigers Psr dargestellt 3 3 For ee 18925 1 23 Gleichung 106 P sk 2043 3 Der Energiebedarf des Schwallreinigers liegt somit um etwa 23 h her als der Energiebedarf der Spr hkugel Diese Berechnung gilt nat rlich nur f r den Einsatz des beschriebenen Pumpentyps 142 Ergebnisse
105. Elastizit t wird die maximale Ozonkonzentrations nderungsrate der Sensorik bei Ein und Ausschalten der Elektroden ermittelt e Der Abschnitt Zeitverschiebung Verz gerung befasst sich mit der Zeitspanne die zur Messung und bertragung des gegenw rtigen Wertes notwendig ist Alle Versuche werden im Durchflussbetrieb mit 12 m h durchgef hrt Anlaufzeiten Abbildung 125 zeigt den Verlauf der Ozonkonzentration bei Elektrodenzuschaltung Stromvorgabe 240 A unter der Pr misse einer l ngeren Stillstandsphase der Anlage Tr gheitsverhalten Anlaufzeiten nach Stillstand Stromvorgabe 240A Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm gt 8 a 5 3 H 300 H S S E S 6 Zeit min Orbisprhere Mettler Toledo Abbildung 125 Tr gheitsverhalten Anlaufzeiten nach Stillstand Dabei weisen die Sensoren folgendes zeitliches Verhalten auf e Die Konzentrationsanzeige des Orbisphere steigt nach 0 5 Minuten konstant an erreicht den endg ltigen Wert nach etwa 2 5 Minuten und ist damit der schnellste der drei Sensoren 164 Ergebnisse e Der Wert des SWAN steigt etwa zeitgleich nach 0 5 Minuten nicht linear an und ist deshalb auch etwas langsamer was bedeutet dass der Graph erst nach etwa 3 5 Minuten einen waagrechten Verlauf besitzt e Die mit Abstand l ngste Anlaufzeit hat der Mettler dessen angezeigte Ozonkonzentration nach 2 Minuten anst
106. Elektrodenstack im oben dargestellten PVC Reaktor mit ca 150 h Laufzeit durchgef hrt Anstr mh he Bei der ersten Reaktorstudie wurde zugunsten des maximalen Drehmoments der auf den Elektrodenstack wirken kann die L nge der Stromfahnen minimiert Dieser Einfluss war bisher nicht in die berlegungen mit eingegangen da eine berpr fung des Parameters auf 115 Ergebnisse Laborebene konstruktiv relativ schwierig umzusetzen ist F r die Untersuchungen werden die Stromfahnen wiederum um 31 mm verl ngert und die Ozonleistung mit dem Aufbau mit Stromfahnen in Minimall nge verglichen Diese 31 mm resultieren aus der Verschiebung der Stromfahnen von der urspr nglichen Position der Stromfahnen mit 39 mm berstand s Abbildung 78 auf einen minimalen berstand von 8 mm der zur Fixierung der Kabelschuhe notwendig ist Der Anstr mwinkel ist in dieser Untersuchung auf 90 frontal fixiert Abbildung 78 Stromfahnen berstand PVC Reaktor Variation Anstr mh he Temperatur ca 13 C Volumenstrom 5 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm y 0 044 0 868 R 0 999 y 0 045 0 917 R 0 997 Ozonleistung g h 60 Strom I A Minimalh he Abbildung 79 Ozonleistung in Abh ngigkeit von der Anstr mh he Die Ozonleistungen bei verschiedenen Anstr mh hen bzw bei der Variation der Anstr mh he um 9 mm sind ber den gesamten Leistungstest ann hernd identisch und liegen be
107. Elektrolyse Brauwelt 2007 10 S 242 245 Literaturverzeichnis Grundfos AG 2010 Datenheft Pumpen nach Ma Kundenspezifische CR Pumpen f r industrielle Anwendungen aller Art Datenheft 2010 Gr ndler 2004 Chemische Sensoren Heidelberg Springer Verlag 2004 S 167 ff G nsel M und Praeckel U 1998 M glichkeiten der Kosteoptimierung im Reinigungs und Desinfektionsprozess Brauindustrie 1998 7 S 416 Haar M 2010 Untersuchung der kathodischen Kalkabscheidung in einem elektrochemischen Modul zur Ozonerzeugung Diplomarbeit Idstein s n 17 Juni 2010 Hach Ultra Analytics GmbH 2008 Bedienerhandbuch EC Sensor 2008 Hampel A und Neupetsch S 2005 Betriebsanleitung DIACHEM SPE Elektrodenstack Betriebsanleitung 2005 Hapke 2010 Ozon Ozon Online 2010 Zitat vom 8 Februar 2012 http www tu harburg de b hapke ozon html Hazen und Sawyer 1992 Disinfection Alternatives for Safe Drinking Water New York Van Nostrand Reinhold 1992 Heim C und Glas K 2011 Ozonierung in der Lebensmittel und Getr nkeindustrie Herstellungsverfahren und Einsatzgebiete Brauwelt 2011 7 S 190 192 Heim C 2011 Verwendungsnachweis Teil Sachbericht TU M nchen Projekt Entwicklung einer Verfahrens zur Desinfektion von Brauereianlagen mittels ozonhaltigem Wasser Freising Weihenstephan s n 2011 Heyse K U 2008 Praxishandbuch der Brauerei Reinigung und
108. Harting Stecker s Abbildung Anhang 3 f r die absolute Unabh ngigkeit der Anlage gerade bei Transportvorg ngen inner und au erhalb der Brauerei Zus tzlich wird mittels Flanschverbindungen auf H he des Modulrahmens ein Abgabepunkt zur Durchf hrung einer Desinfektion fixiert s Abbildung Anhang 4 130 Ergebnisse 4 3 3 Steuerung der Demonstrationsanlage Die Steuerung f r die Demonstrationsanlage wurde auf Basis der eingesetzten Sensoren und Aktoren und vor allem der Erfahrungen aus dem Betrieb der Labor und der halbtechnischen Versuchsanlage und den Grundlagenversuchen erstellt Grunds tzliche Ausf hrung der Steuerung Die Gesamtanlage wird via SPS mittels eines Touchpanels TP angesteuert In der SPS sind die Programme f r den Hand und den Automatikbetrieb die Anlagenparameter und die eingestellten Grenz und Alarmwerte f r die Feldger te hinterlegt Auftretende Warn oder Alarmmeldungen m ssen am TP vor Ort quittiert werden Nach dem Quittieren von Alarmmeldungen die die Anlage abgeschaltet haben l uft die Anlage nicht automatisch weiter bzw nicht wieder an Dies kann erst nach Beseitigung des St rgrunds und der Bet tigung der Funktionstaste f r die Quittierung erfolgen und erfordert wiederum ein Starten der betroffenen Anlagenelemente wie der Elektrodenstacks oder der Pumpe auch bei einem etwaigen Stromausfall greift diese Sicherheitsvorkehrung Steuer und Regelelemente Automatikprozeduren Stromve
109. Indigocarmin Belke 2010 65 Material und Methoden Da die Entf rbung des Indigocarmin linear und im st chiometrischen Umsetzungsverh ltnis von 1 1 zur Ozonkonzentration zunimmt kann diese nach Gleichung 73 berechnet werden Condias GmbH 2006 Bader et al 1981 Coon mg ill Img 11 21 200 5 Ce Aiel Elsl Gleichung 73 mg l 100 2 Erw We Eprobe 54 8751 2 21 2 Mit Ew Extinktion Leerwert mit Leitungswasser Eprobe Extinktion Probe mit Ozonwasser Konzentration Leerwert mit Indigocarmin 4 66 mg l Cozon Ozonkonzentration mg l A Auswaage g E Einwaage g Im vorliegenden Fall stammt der Wert von der CONDIAS GmbH die durch den Abgleich mit der Kalibriergeraden den Umrechnungsfaktor zu 54 8751 definierte Der Faktor enth lt sowohl den Extinktionskoeffizienten als auch die Schichtdicke der K vette Zus tzlich gehen noch die Leerwertkonzentration an Indigocarmin und der Faktor der Reinheit der Chemikalie mit ein Diese liegt bei ca 99 was die rein rechnerische Differenz des Faktors zur obigen berlegung erkl rt 3 3 2 Ozon Online Sensorik Im Zuge dieser Arbeit kamen drei verschiedene Sensoren zum Einsatz Der EC Sensor 31330 der Firma Hach Ultra und der 3X8 210 der Firma Mettler Toledo funktionieren nach dem amperometrischen Prinzip s Punkt 2 4 5 w hrend die Messungen beim AMI Codes II Analyzer der Firma SWAN
110. KTRODE A RSS ERBE RR IRRE EN BSR Le ira EE E ee 108 ABBILDUNG 68 UND 69 D SENBAUTEIL KONISCHER AUSLAUF LINKS UND CARNOT STOR 108 ABBILDUNG 70 OZONLEISTUNG IN ABH NGIGKEIT UNTERSCHIEDLICHER D SENBAUTEILE UND DER RESULTIERENDEN DRUCKVERLUSTE aan E 109 ABBILDUNG 71 ERSTE RtakKToRsTuUpIE 110 ABBILDUNG 72 LEISTUNGSTEST 1 REAKTORSTUDIE 111 ABBILDUNG 73 STROMAUSBEUTE IN ABH NGIGKEIT DER REYNOLDSZAHL 1 BEAKTORSTUDIE 112 ABBILDUNG 74 UND 75 PVC REAKTOR SEITLICH LINKS UND IN BETRIEB VON OBEN RECHTS 113 ABBILDUNG 76 PVC REAKTOR F R EINFACHEN OBEN RECHTS 1 5FACHEN OBEN MITTE UND DOPPELTEN OBEN LINKS PLATTENELEKTRODENABSTAND UND 4 ANSTR MUNGSRICHTUNGEN S UNTEN 114 ABBILDUNG 77 VERGLEICH ZWISCHEN 1 REAKTORSTUDIE UND PVC REAKTOR aeeeenenanenannennennnnnnnennennnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnennnnnn 115 ABBILDUNG 78 STROMFAHNEN BERSTAND ceeeenenenesenenenenenenenenenenennnnnnnenennnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 116 ABBILDUNG 79 OZONLEISTUNG IN ABH NGIGKEIT VON DER NSTR MH HE nnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 116 ABBILDUNG 80 VARIATION ELEKTRODENABSTAND UND VERSCHIEDENE 117 ABBILDUNG 81 OZO
111. Kolben folgt die spektralphotometrische Messung der Extinktion mit einer 50 mm Quarzkuvette bei einer Wellenl nge von 609 nm wobei die Referenzl sung als Blindwert dient Condias GmbH 2006 Um m glichst exakte Messwerte zu erhalten empfiehlt es sich eine Dreifachbestimmung mit darauffolgender Mittelwertbildung durchzuf hren und darauf zu achten dass die jeweiligen F llvolumina hnlich sind gt Fehlerungenauigkeit Beim sorgsamen Umgang mit den Reagenzien und den Glaswaren kann man also von einem geringen Fehler der Methode ausgehen was Anlass zur haupts chlichen Verwendung dieser Methode war Rein theoretisch deckt die Messung einen Konzentrationsbereich von 0 005 30 mg l mit einer Genauigkeit von 3 ug l ab Zudem wird die Standardabweichung der jeweiligen Messung berechnet was eine Art Selbstkontrolle darstellen kann Erfahrungsgem sind die Messwerte belastbar solange die Standardabweichung unter 5 des Konzentrationsmittelwerts liegt Bader et al 1981 64 Material und Methoden S H A o ns Indigocarmin blau gt o ON b TIARN A o na 5 a Prim rozonid x 0 4 H o H H na Sekund rozonid e SE La Ke N Div H i H e na o o N L Y d 6 2 en H d na H Isatin Isatos ureanhydrid farblos gelb farblos Abbildung 24 Elektrophiler Angriff des Ozonmolek ls auf
112. MIT 0 3MOLARER ZITRONENS URE LINKS UND 1MOLARER SALZS URE RECHTS MANGOLD ET AL 2011 101 ABBILDUNG 55 UND 56 REM AUFNAHMEN NACH BEHANDLUNG EINER VERKALKTEN MEMBRAN MIT 0 3MOLARER ZITRONENS URE LINKS UND 1MOLARER SALZS URE RECHTS MANGOLD AL 2011 101 ABBILDUNG 57 UND 58 REM AUFNAHME NACH BEHANDLUNG EINER VERKALKTEN ELEKTRODE MIT 1MOLARER ZITRONENS URE LINKS UND 1MOLARER ESSIGS URE RECHTS MANGOLD ET AL 2011 102 ABBILDUNG 59 UND 60 REM AUFNAHME NACH BEHANDLUNG EINER VERKALKTEN MEMBRAN MIT 1 MOLARER ZITRONENS URE LINKS UND 1MOLARER ESSIGS URE RECHTS MANGOLD ET AL 2011 102 ABBILDUNG 61 UND 62 AG H ELEKTRODENSTACK MIT STARKEN VERKALKUNGEN NACH DEM BETRIEB IN HARTEM WASSER OBEN UND NACH REINIGUNG IN 1MOLARER SALZS URE UND TAUSCH DER MEMBRANEN IUNTEN 103 ABBILDUNG 63 OZONLEISTUNG AN EINEM VERKALKTEN AG H ELEKTRODENSTACK VOR UND NACH ENTKALKUNG UND NACH MEMBRANTAUSCH MANGOLD ET AL 2011 103 ABBILDUNG 64 DARSTELLUNG DES F R DIE LABORUNTERSUCHUNGEN VERWENDETEN OPTISCH ZUG NGLICHEN REAKTORS 105 ABBILDUNG 65 OZONLEISTUNG IN ABH NGIGKEIT VOM VOLUMENSTROM 106 ABBILDUNG 66 OZONLEISTUNG IN ABH NGIGKEIT VON DER REYNOLDSZAHL 107 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 67 PROZENTUALE ELEKTRODENEFFIZIENEN BEI VERSCHIEDENEN ANSTR MWINKELN UND NACH ALTERUNG DER ELE
113. Monobromessigs ure und elektrolytisch generiertem Ozon s Abbildung 140 liefert vor allem bei hoher Chemikalienkonzentration ein gutes Ergebnis Hier liegen die Amortisationszeiten sogar bei einer hohen j hrlichen Wartungspauschale f r die Diamantelektroden bei h chstens 12 Jahren Werden niedrigere Konzentrationen an Monobromessigs ure eingesetzt so steigen die Zeitr ume deutlich an Ab der mittleren Konzentration von 400 ppm ist die Amortisation nur noch bei Wartungskosten bis 500 pro g h Nominalleistung und Jahr in einem tragbaren Bereich Dar ber stellt sich eine Amortisation erst bei ber 25 Jahren ein Beim Vergleich Ozon Peressigs ure ergibt sich ein hnliches Resultat s Abbildung 141 Bei der niedrigen Anwendungskonzentration von 250 ppm liegt eine Amortisation nur bei sehr niedrigen Wartungspauschalen im tolerierbaren Bereich bei hohen Peressigs urekonzentrationen von 500 bzw 1000 ppm kann bis zu mittleren Wartungspauschalen von einem berschaubaren Zeitraum ausgegangen werden 199 Diskussion der Ergebnisse Amortisationszeiten einer O Anlage im Vergleich zur Desinfektion mittels Peressigs ure 70 000 hl Brauerei 8 N Wartungskosten BDD Elektroden g 20 25 20 Amortisationszeit Abbildung 141 Amortisationszeiten elektrolytisch generiertes Ozon gegen Peressigs ure Amortisationszeiten einer O Anlage im Vergleich zur Desinfektion mittels
114. NLEISTUNG IN ABH NGIGKEIT VON ANSTR MWINKEL UND 117 ABBILDUNG 82 VERSCHIEDENE STR MUNGSLENKUNGEN sceenenenenenenenenenenenenenennnnnenenennnenenenenenenenenenenenenenenenenensnenenenenene 118 ABBILDUNG 83 LEISTUNGSTEST PVC REAKTOR ANSTR MUNG 90 UND VARIABLER VOLUMENSTROM 119 ABBILDUNG 84 ABH NGIGKEIT DER OZONLEISTUNG VON REYNOLDSZAHL BEI 9O ANSTR MUNG 119 ABBILDUNG 85 ABH NGIGKEIT DER OZONLEISTUNG VON REYNOLDSZAHL BEI 90 ANSTR MUNG STROMDICHTE 120 ABBILDUNG 86 VERGLEICH 90 ANSTR MUNG UND 1 REAKTORSTUDIE BEI 1 UND 5 Min 121 ABBILDUNG 87 DARSTELLUNG DER UNTERSCHIEDLICHEN STR MUNGSZONEN IM OPTIMIERTEN 122 ABBILDUNG 88 FINALE REAKTORKONFIGURATION sceeeenenenenenenenenenennnnnnnnnenenenennnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenensnenenenenene 122 ABBILDUNG 89 90 91 ENDOSKOPIEBILDER DRUCKRAUM 1 124 ABBILDUNG 92 UND 93 VISUELLER TR BUNGSABGLEICH DRUCKRAUMF LLUNG 124 ABBILDUNG 94 STATUSFENSTER STEUERUNG nnuncnenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 132 ABBILDUNG 95 VERGLEICH DER OZONAUF UND ABBAUVORG NGE BEI VERSCHIEDENEN
115. Plattenelektroden entf llt dieser Divisor aufgrund des durchg ngigen Materials Es ist ersichtlich dass f r eine optimale Stromausbeute der angelegte Strom an den Abbau der Zielsubstanzen angepasst werden m sste Bleibt der Abbau im linearen also Faraday schen Bereich so k nnen mittels der Ladung von 1 Ah 298 5 mg CSB abgebaut werden s Gleichung 64 und 65 Bei dieser Rechnung wird der Wertigkeit des Sauerstoffanions 2 in Gleichung 65 der molaren Masse des Sauerstoffs von 32 g mol und der nat rlichen Dimerisierung Gleichung 65 des Elements Rechnung getragen Die Faktoren f r die Wertigkeit und die Dimerisierung k nnen auch zusammengefasst werden da an der Redoxreaktion bzw Elektrolyse von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff bekanntlich 4 Elektronen beteiligt sind Unten stehende Variante erscheint jedoch plausibler Panizza et al 2009 46 Theoretische Grundlagen u 028 0 0186 mol Gleichung 64 3 96485 3399 I 0 0186 mol 32 gi mo MoL _ 289 5 mg Gleichung 65 2 Durch Zugabe von Schwefels ure ist es zudem m glich durch deren Oxidation mittels der BDD Elektrode Persulfate herzustellen Gem unten stehender Abbildung 14 erfolgt ein oxidativer Angriff auf die Inhaltsstoffe des Abwassers ber ein sekund res Redoxsystem in diesem Fall das System Sulfat Persulfat Da die Halbwertszeit der Persulfate die der Hydroxylradikale bei weitem berschreitet und ihr Oxidationspotential mi
116. RTEN GENAUIGKEIT DH Puma spe Eko 66 TABELLE 18 VALIDIERUNGSKEIME LABOR LANG HALTER 20101 72 TABELLE 19 VERWENDETE STATISTISCHE ABSICHERUNGEN UND BERECHNUNGEN GROTE AL 2007 79 TABELLE 20 LEISTUNGSDATEN DER CRN 10 4 GRUNDFOS AG 20101 82 TABELLE 21 LEISTUNGSDATEN DER CRN 15 3 GRUNDFOS AG 20101 87 TABELLE 22 BERECHNUNG DER FREIEN DURCHGANGSFL CHE BEI DEN STACKGR BEN 4 UND 6 110 TABELLE 23 UND 24 BERECHNUNG DER FREIEN DURCHGANGSFL CHE BEI DEN MOMENTAN G NGIGSTEN BEI EINBAU IN DEN PVESREAKTOR 113 TABELLE 25 BERPR FUNG DER HYDRAULIK IN DER DEMONSTRATIONSANLAGE F R EINE HAUPTNENNWEITE VON DN 50 127 TABELLE 26 HYDRAULISCHE BERPR FUNG DER EINZELSTR NGE F R EINE NENNWEITE VON DN 25 UND GLEICHBERECHTIGTEN Krell DEE 127 TABELLE 27 BERPR FUNG DER HYDRAULIK BEI LEISTUNGSPROPORTIONALER VOLUMENSTROMAUFTEILUNG AG H REAKTOR Tabellenverzeichnis TABELLE 30 DRUCKVERLUSTBERECHNUNG F R EINE DN25 CARNOT ARMATUR BEI GLEICHBERECHTIGTEN STR MUNGSVERH LTNISSEN UND EINER BOHRUNG VON 17 MM 129 TABELLE 31 BERSICHT VISUALISIERUNGSFENSTER DEMONSTRATORSTEUERUNG 133 TABELLE 32 HALBWERTSZEITBERECHNUNG BEI NORMAL UND 139
117. RVOLUMEN GEIR 2009 71 ABBILDUNG 28 UNTER UV BESTRAHLUNG FLUORESZIERENDES RIBOFLAVIN NACH EINEM REINIGUNGSTEST 73 ABBILDUNG 29 MUSTER OZONAUFBAU ZUR ERMITTLUNG DER OZONEXPOSITION IN EINEM KREISLAUFSYSTEM 75 ABBILDUNG 30 SCHEMA DER VERSUCHSANLAGE IN DIESEM FALL MIT EINEM ANGESCHLOSSENEN PUFFERBEH LTER MIT 2 L VOLUMEN ET EE 80 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 31 AUFBAU DER LABORANLAGE F R DIE KINETIK UND MIKROBIOLOGIEVERSUCHE GEIR 2009 81 ABBILDUNG 32 VERSUCHSANLAGE ZUR EVALUIERUNG VON ENTKALKUNGSROUTINEN 82 ABBILDUNG 33 VISUALISIERUNGSOBERFL CHE MIT EINGABEFELDERN UND ANGEZEIGTEN 7 83 ABBILDUNG 34 R amp I SCHEMA DER HALBTECHNISCHEN VERSUCHSANLAGE ZUR EVALUIERUNG VON ENTKALKUNGSROUTINEN 85 ABBILDUNG 35 VERSUCHSAUFBAU DER PILOTANLAGE MIT TANK 86 ABBILDUNG 36 R amp I SCHEMA DER DEMONSTRATIONSANLAGE neeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenn 87 ABBILDUNG 37 HALBWERTSZEITEN VON ELEKTROLYTISCH GENERIERTEM OZON BEI VERSCHIEDENEN STROMDICHTEN 89 ABBILDUNG 38 OZONLEISTUNG IN ABH NGIGKEIT VON DER WASSERTEMPERATUR neenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenn 90 ABBILDUNG 39 OZONLEISTUNG BEI VERSCHIEDENEN LEITF HIGKEITEN eeeeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenonenenenenenenenenenn 9
118. Reagenzien Q1 Oxycon on line DPD und Q2 Oxycon on line Buffer mit Oxycon on line KJ hinzugef gt Das Gemisch flie t anschlie end in das Fotometer N wo die Absorption gemessen wird Zuletzt durchl uft die Probe den Blasensensor M und flie t von dort in den Abfluss R SWAN Analytics 2010 Zu Beginn muss der Benutzer ber das Str mungsventil V den Probefluss einstellen Dieser sollte so eingestellt werden dass das l ngere Rohr F berflutet wird und somit der Wasserpegel konstant gehalten wird Der Probefluss ber das kurze Rohr E betr gt konstant 15 I h SWAN Analytics 2010 D Schlauchpumpe Temperatursensor pH Sensor berlaufkopf Durchflusszelle K rzeres berlaufrohr berlaufrohr Mischkammer Filter Probeneinlass Durchflusszelle Luftblasensensor Fotometer Lufteinlass 1 Reagens Oxycon on line DPD Reagens Oxycon on line Buffer Abwassertrichter Ablauf Reagensstandsensor Durchflussregelventil N lt 2 gt Abbildung 26 Funktionsprinzipskizze des AMI Codes Il SWAN Analytics 2010 3 3 3 Delta Ferrit Messung Die Ferritmessung bedient sich des magnetisch induktiven Verfahrens gem DIN EN ISO 2178 1995 das nur auf ferromagnetischen Substraten anwendbar ist somit kamen f r die Messungen im Materialtest nur die beiden austenitischen St hle VA und V4A in Frage Bei diesem Verfahren wird durch den Strom in e
119. Reaktorkonfiguration wurden alle diese Punkte ber cksichtigt und implementiert 179 Diskussion der Ergebnisse 5 2 4 Beurteilungsmatrix Druckraumf llung 5 ial Druckr S F limaterial Dru um inkompressibie Medien mit NaHSO Mineral l Pflanzen l Thermoplaste Duroplaste Beton Gips Ethanol 70 Vol Paraffin Bewertungskriterium Bewertungsfaktor Erreichte Gesamtpunktzahl 254 Ausschluss D 234 D 204 D 198 D 229 Ausschluss DN 249 Ausschluss M gliche Gesamtpunktzahl 280 Punkte Abbildung 133 Bewertungsmatrix Druckraumf llung Die Bewertungsfaktoren dienen zur Untergliederung der einzelnen Bewertungskriterien entsprechend ihrer Wichtigkeit Folgende Staffelung wird verwendet Bewertungsfaktor 1 f r Kriterien mit niedrigster Priorit t Bewertungsfaktor 2 f r Kriterien mit untergeordneter Wichtigkeit Bewertungsfaktor 3 f r Kriterien mit bedeutender Wichtigkeit Bewertungsfaktor 4 f r Kriterien mit h chster Priorit t 180 Diskussion der Ergebnisse Ist eine dauerhafte F llung ohne Medienwechsel m glich Preis f r Druckraumf llung Schwindung der F llung nach Einbringen in Druckraum bei Bewertung lt 3 folgt Ausschluss Wie aufwendig ist der Wechsel des Mediums bzw kann dieser unterbleiben Wie aufwendig ist das Einbringen des Mediums in den Druckausgleichsraum Wie ist die Eignung des Mediums in Bezug auf z B Druckstabilit t Z higkeit Lastwechsel Ist die Verarb
120. Reaktorstudie und im PVC Reaktor dessen Abstand Platte Au enwand bekanntlich angepasst wurde Der Versuch wird wie viele weitere Untersuchungen mit einem Volumenstrom von 5 m h durchgef hrt da ab diesem Wert bei vorherigen Versuchen keine Leistungssteigerung mehr m glich war Schrobenhausener Leitungswasser dient bei diesem Durchlaufversuch als Matrix PVC Reaktor vs 1 Reaktorstudie Ozonleistungsvergleich Volumenstrom 5 m h Temperatur ca 13 C Leitf higkeit ca 510 uS cm PVC Reaktor y 0 0439x 0 9625 R 0 9953 1 Reaktorstudie y 0 0409 0 9487 R 0 9987 S EI 5 2 S N Strom A PVC Reaktor m1 Reaktorstudie Abbildung 77 Vergleich zwischen 1 Reaktorstudie und PVC Reaktor Der Leistungstest des PVC Reaktors ergibt eine stets h here Ozonleistung als der der 1 Reaktorstudie s Abbildung 77 Signifikant ist das Auseinanderdriften der Funktionen bis zur Maximalleistung der Elektrode Versuche zur hydraulischen Optimierung im Praxisma stab Auf Basis der bisher gewonnenen Erkenntnisse und der M glichkeit der Verwendung eines Baukastensystems zur Validierung werden im Folgenden die bereits oben erw hnten Parameter zum Teil wiederholt variiert um durch die praxisnahe Untersuchung ein Maximum an Ozongenerierungsleistung zu erreichen Alle Versuche werden mit der Demonstrationsanlage und Schrobenhausener Stadtwasser an einem 6g h
121. Reynoldszahl der Str mung nicht 2320 unterschreiten besser sogar im Bereich ber 10 liegen Als letzte Maxime gilt es den Druckverlust in der Anlage auf ein technisch tragbares Minimum zu senken da Energieverluste immer gleichbedeutend mit erh hten Unterhaltskosten der CIP Anlage sind Bender 2007 2 7 Verfahren zur berpr fung des Entkalkungserfolges und der Elektrodenperformance Der Grund f r die Verkalkung von BDD Elektroden ist eine lokale kathodenaffine pH Erh hung Werden die Elektroden dauerhaft auch im Wechsel kathodisch verwendet entsteht einerseits gem Gleichung 66 Wasserstoff andererseits fallen Hydroxidionen an die die pH Wertverschiebung bewirken Dies f hrt l ngerfristig zu starken mineralischen Kalk Ablagerungen die wiederum die Leistungsf higkeit der Elektrode herabsetzen 2H O 2e gt H 20H Gleichung 66 Aus der pH nderung resultiert eine Verschiebung des Kalk Kohlens ure Gleichgewichts in Richtung ausfallender Magnesium und Calcium Carbonate s Gleichung 67 68 und 69 Belke 2010 CO H 0 lt gt H CO H lt 2H CO Gleichung 67 CO lt CaCO 4 Gleichung 68 Mg lt gt MgCO 4 Gleichung 69 Kalkeinlagerungen in den spitzwinkligen Ecken Abbildung 15 Verkalkter Diamant Elektrodenstack nach l ngerfristigem Einsatz in hartem Prozesswasser Kalkablagerungen haupts chlich in den spitzwinkligen Ecken des Streckgitters und der Memb
122. TABILIT T DURCHFLUSS METTLER areeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 161 ABBILDUNG 122 GENAUIGKEIT UND STABILIT T DURCHFLUSS ORBISPHERE reeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 162 ABBILDUNG 123 GENAUIGKEIT UND STABILIT T DURCHFLUSS SWAN eeeeeesesenenenenenenenenenenenennnenenenenenenenenenenenenenenenenene 163 ABBILDUNG 124 GENAUIGKEIT UND STABILIT T KREISLAUF ALLE SENSOREN ceenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 163 ABBILDUNG 125 TR GHEITSVERHALTEN ANLAUFZEITEN NACH STILLSTAND uenenenesenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 164 ABBILDUNG 126 TR GHEITSVERHALTEN EIN UND AUSSCHALTZYKLEN snenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 165 ABBILDUNG 127 TR GHEITSVERHALTEN ZEITVERSCHIEBUNG UMPOLUNG nenenenesenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 166 ABBILDUNG 128 VERSUCHSAUFBAU MATERIALTEST ZU SEHEN SIND DIE EINZELNEN MATERIALKAPSELN BEF LLT MIT IMATERI LSTREIEEN Des ner a en E N Ee EN 168 ABBILDUNG 129 OZONKONZENTRATION W HREND DES MATERIALTESTS seeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 169 ABBILDUNG 130 OBERFL CHENRAUHIGKEITSANALYSE PVDF VOR DER OZONIERUNG sneeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 170 ABBILDUNG 131 OBERFL CHENRAUHIGKEITSANALYSE PVDF NACH DER OZONIERUNG neeenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenenene 170
123. TACK NACH L NGERFRISTIGEM EINSATZ IN HARTEM PROZESSWASSER KALKABLAGERUNGEN HAUPTS CHLICH IN DEN SPITZWINKLIGEN ECKEN DES STRECKGITTERS UND DER MEMBRAN BECKER ETAL EE a a Lee ee EE 49 ABBILDUNG 16 R NTGENFLUORESZENZANALYSE DER AUSF LLUNGEN AN EINER BDD ELEKTRODE BECKER AL 2008 50 ABBILDUNG 17 REM AUFNAHME VON KALKAGGLOMERATEN BECKER AL 2008 51 ABBILDUNG 18 REM AUFNAHME EINER VERKALKTEN ELEKTRODE MANGOLD ET AL 2011 52 ABBILDUNG 19 DARSTELLUNG DES GRUNDLIEGENDEN AUFBAUS DES DIACHEM ELEKTRODENSTACKS 5 PARALLELE ELEKTRODEN HAMPEL ET AL 2005 57 ABBILDUNG 20 DARSTELLUNG EINES EINZEL ELEKTRODENPAARES EDUKT UND PRODUKTSTROM FOTTNER 2006 58 ABBILDUNG 21 RUNDREAKTOR ERSTE REAKTORGENERATION ene 59 ABBILDUNG 22 RECHTECKREAKTOR ZWEITE REAKTORGENERATION ueeeseesessnnsnsssnenssnnnnsnnnensnsnnnnnnnnnnnsessnnsnsnnnensensnesnnnnennen 60 ABBILDUNG 23 RUNDREAKTOR MIT INLINER DRITTE REAKTORGENERATION 61 ABBILDUNG 24 ELEKTROPHILER ANGRIFF DES OZONMOLEK LS AUF INDIGOCARMIN BELKE 2010 65 ABBILDUNG 25 KOMPONENTEN DER SENSORZELLE EC 31330 HACH ULTRA ANALYTICS GMBH 2008 67 ABBILDUNG 26 FUNKTIONSPRINZIPSKIZZE DES AMI Copes 11 SWAN ANALYTICS 2010 68 ABBILDUNG 27 VERD NNUNGSREIHE ZUR ERMITTLUNG DER ABT TUNGSRATEN MIT 2 L PUFFE
124. TIONEN ANSCHLUSSPROJEKTE 203 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 1 SINNER SCHER WIRKKREIS KOLLER 20081 6 ABBILDUNG 2 GRAFISCHE BESTIMMUNG DES D WERTES FUCHS 2006 11 ABBILDUNG 3 UND 4 SPR HBILD EINER STATISCHEN 360 SPR HKUGEL LINKS UND EINES SCHWALLREINIGERS 270 NACH he sn hassen 15 ABBILDUNG 5 MESOMERE GRENZSTRUKTUREN DES OZONMOLEK LS 2010 22 ABBILDUNG 6 ABT TUNGSZEITEN UND NOTWENDIGE OZONKONZENTRATIONEN NACH WALLH URER 1995 27 ABBILDUNG 7 OZONENTSTEHUNG AN DER DIACHEM DIAMANTANODE HAMPEL ET AL 2005 36 ABBILDUNG 8 OZONLEISTUNG IN ABH NGIGKEIT VON LEITF HIGKEIT UND STR MUNGSGESCHWINDIGKEIT CONDIAS GMBH ABBILDUNG 9 ABT TUNG VON VERSCHIEDENEN MIKROORGANISMEN INNERHALB VON 5 MIN MIT DEN ANGEGEBENEN OZONKONZENTRATIONEN NOLL 2006 40 ABBILDUNG 10 CYCLOVOLTAMETRIE ZUR BESTIMMUNG DES POTENTIALBEREICHS VON DIAMANT UND PLATIN BELKE 2010 41 ABBILDUNG 11 REM AUFNAHME SUBSTRAT INTERFACE DIAMANTSCHICHT 42 ABBILDUNG 12 MASSENTRANSPORT UND STROMLIMITATION CONDIAS GMBH 2005 45 ABBILDUNG 13 REALE ABBAUFUNKTION MIT LINEARER ERSTER UND EXPONENTIELLER ZWEITER ABBAUPHASE PANIZZA ETAL ABBILDUNG 15 VERKALKTER DIAMANT ELEKTRODENS
125. TROLYTISCH GENERIERTEM OZON sagte eer uses Be EES ANERE 125 4 3 1 Entwicklung einer Scole Up Svstemotk 125 4 3 2 Hydraulische Auslegung und Einhaltung maschinenbautechnischer Grunds tze 126 4 3 3 Steuerung der 131 4 4 VEREAHRENSTECHNISCHE UNTERSUCHUNGEN ZUR OBEREL CHENDESINEEKTION 134 4 4 1 Ozonauf und abbau in realen zyklischen Systemen 134 4 4 2 Auswahlverfahren der 140 4 4 3 Mikrobiologische Untersuchungen 145 4 4 4 Auswahlverfahren der Online Sensorik 158 SE 10112 223 E 167 5 DISKUSSION DER ERGEBNISSE 174 5 1 _GRUNDLAGENVERSUCHE UND ELEKTRODENSTACKBETRIEB uuzeensunnsnnnsnensnensnnnennnonnnnnennnnnsnnnnnnnnnnnnensnennennnennaen 174 5 1 1 Leistungsabh ngigkeiten der Ozonerzeugung 174 5 1 2 _ Elektrodenstackdauerbetrieb und Entkolkungeroutien 175 5 2 KONZEPTION UND KONSTRUKTION DES REAKTORGEH USES ENN 176 5 2 1 Bewertung der Versuche auf Loborebene 176 5 2 2 Konstruktion und Validierung 1 Reaktorstudie 177 5 2 3 Bewertung der Versuche im Praxisma stab und
126. Technische Universit t M nchen Lehrstuhl f r Chemisch Technische Analyse und Chemische Lebensmitteltechnologie Elektrolytische Ozonerzeugung Konzeption und wissenschaftliche Evaluierung einer Gesamtanlage zur Oberfl chendesinfektion im Getr nkesektor Michael Friedrich Becker Vollst ndiger Abdruck der von der Fakult t Wissenschaftszentrum Weihenstephan f r Ern hrung Landnutzung und Umwelt der Technischen Universit t M nchen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor Ingenieurs genehmigten Dissertation Vorsitzender Univ Prof Dr M Rychlik Pr fer der Dissertation 1 Univ Prof Dr Dr h Parlar i 2 Univ Prof Dr T Becker 3 Univ Prof Dr D Weuster Botz Die Dissertation wurde am 15 10 2012 bei der Technischen Universit t M nchen eingereicht und durch die Fakult t Wissenschaftszentrum Weihenstephan f r Ern hrung Landnutzung und Umwelt am 04 04 2013 angenommen Ehrenw rtliche Erkl rung Ich erkl re hiermit ehrenw rtlich dass ich die vorliegende Arbeit selbstst ndig angefertigt habe Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt bernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht Die Arbeit wurde bisher keiner anderen Pr fungsbeh rde vorgelegt Pfaffenhofen den 10 06 13 Danksagung Danksagung Mein Dank gilt Meiner Freundin Marion meiner gesamten Familie allen meinen Freunden meinen Bundesbr dern Prof Dr Dr Harun Parlar f
127. age verf gt au erdem ber einen Wasserausgang DN 50 und zwei Wassereing nge DN 50 einer f r die Zuspeisung ohne Druckerh hung der zweite als Pumpenvorlauf Diverse weitere Funktionen die gesamte Steuerung und die tats chlichen Versuchsaufbauten werden im Ergebnisteil pr sentiert da die Anlagenkonzeption einen der Hauptschwerpunkte der Arbeit darstellt 88 Ergebnisse 4 Ergebnisse 4 1 Grundlagenversuche und Elektrodenstackbetrieb 4 1 1 _Halbwertszeiten bei elektrolytisch generiertem Ozon Der erste Grundlagenversuch ist die berpr fung der Literaturaussagen bez glich der Halbwertszeit von Ozon hier differieren die angegebenen Werte erheblich Dieser Versuch soll jedoch auch Aufschluss dar ber geben ob es einen Einfluss der elektrolytischen Ozongenerierung oder der Elektrode an sich gibt Hierzu wird mittels der Laboranlage s 3 6 1 ein Kreislaufversuch mit 2 eisgek hltem Volumen in einem offenen Puffergef durchgef hrt Nach Anlegen der Stromdichten 20 60 und 100 mA cm und der Behandlung des mit einem Volumenstrom von 3 l min umgepumpten Wassers ber einen Zeitraum von je 20 Minuten wird die Anlage gestoppt jedoch weiterhin umgepumpt W hrenddessen wird in regelm igen Abst nden die Ozonkonzentration gemessen bis sie gegen geht Die h heren Ozonkonzentrationen zu Beginn der Abbaukurve wurden zugunsten des einheitlichen Versuchsablaufs gebilligt Der Unterschied zwischen den beiden aufgetragen
128. agen liegt Einen erheblichen Einfluss hat zudem die das Produkt begleitende Keimflora Kramer et al 2008 Bei einer Desinfektion mit ozonbeladenem Wasser k nnen nun die Punkte 9 bis 13 durch einen Desinfektionsschritt ersetzt werden was eine deutliche Zeitersparnis bedeuten kann Charakteristik im Getr nkesektor eingesetzter Reinigungs und Desinfektionsarmaturen Die statische Spr hkugel die im Folgenden nur mit Spr hkugel bezeichnet wird ist die derzeit am h ufigsten zur CIP Reinigung von Beh ltern eingesetzte Reinigungsarmatur Hierbei handelt es sich um eine perforierte Kugel die ca 30 50 cm unterhalb des Tanktops oberes Ende des Tanks Ausf hrung je nach Tankart als Kl pperboden o angebracht ist und ber die der gesamte Volumenstrom an Reinigungs und Desinfektionsmittel eingebracht wird Es gibt verschiedenste Ausf hrungen an Perforationen und Beschwallungswinkeln die exakt auf die jeweilige Reinigungstaktik und aufgabe abgestimmt werden k nnen Zudem kann besagte Spr hkugel auch als rotierender Ball ausgef hrt sein was Reinigungs und Desinfektionsleistung mitunter noch verbessern kann 14 Theoretische Grundlagen In der Regel werden bei der Verwendung einer Spr hkugel gro e Mengen an Reinigungsfluid und ein vergleichsweise hoher Zeitaufwand ben tigt um den gew nschten Reinigungseffekt zu erzielen Au erdem ist der hohe Volumenstrom notwendig um bei der relativ hohen durchstr mten
129. ahl mp 60 90 m 120 Abbildung 84 Abh ngigkeit der Ozonleistung von Reynoldszahl bei 90 Anstr mung In Anlehnung an die Untersuchungen auf Laborebene kann jedoch ebenfalls die Auftragungsart ge ndert werden sodass zum einen die Stromdichten in Erscheinung treten 119 Ergebnisse zum anderen aber auch sichtbar wird in welchem Bereich der Reynoldszahl eine gravierende Ver nderung der Ozonleistung vorliegt PVC Reaktor 90 Anstr mung Ozonleistung in Abh ngigkeit von der Reynoldszahl Stromdichte Temperatur ca 13 C Leitf higkeit ca 510 uS cm EI 2 3 3 2 N 15000 Reynoldszahl u 37 mA cm s 73 mA cm 110 mA cm 146 mA cm Abbildung 85 Abh ngigkeit der Ozonleistung von Reynoldszahl bei 90 Anstr mung Stromdichte Wie bereits auch bei den Laborversuchen festzustellen war gibt es gerade bei den h heren Stromdichten von 110 und 147 mA cm ab einer bestimmten Turbulenz drastische Spr nge der Ozonleistung nach oben Bei der mittleren 73 mA cm und niedrigen 37 mA cm Stromdichte ist dieser Effekt weniger stark ausgepr gt bzw nicht vorhanden Besagter Knick liegt relativ eindeutig bei einer Reynoldszahl von ca 1 3 x 10 Final werden nochmals zwei Datenpunkte der ersten Reaktorstudie und der Optimalvariante des PVC Reaktors verglichen um den Performance Unterschied zu visualisieren Bei den V
130. allem in Reinstw ssern beachtet werden Rouging Massenerh hung deutlich st rker ausgepr gt als bei Leichte Vergr berung der Oberfl che Optisch keine Ver nderung der Referenzoberfl che wahrnehmbar Vernachl ssigbare Erh hung des Ferritgehaltes um 2 Ausbildung einer konsequenten Chromoxidschicht Einsatz m glich Eisenausl sungen m ssen jedoch vor allem in warmen hei en Reinstw ssern und Reinstdampf beachtet werden Rouging Sehr starker Massenverlust Matte Oberfl che dunkle Flecken vereinzelt wei e Ablagerungen Ausl sungen Schrift deutlich angegriffen sp rbare Verspr dung Starker Angriff des Ozons auf die Polymerstruktur Zus tzlich denkbar Aussp len der Weichmacher Einsatz nicht m glich starke Interaktion mit Ozon Geringer Massenverlust Glanz gr tenteils erhalten keine Verf rbungen Schrift nicht angegriffen keine sp rbare Verspr dung 172 Ergebnisse e Trotz ungesch tzter Struktur nur begrenzter Angriff des Ozonmolek ls e Vermutlich minimaler Austrag von Strukturkomponenten e Einsatz m glich j hrlicher Tausch zwingend erforderlich Silikon e Starker Massenverlust e Glanz gr tenteils erhalten diverse dunkle Ablagerungen e keine Schrift vorhanden deutliche Verspr dung Bruch einer Dichtung e Starker Angriff des Ozons auf die Polymerstruktur e Zus tzlich denkbar Aussp len der Weichmacher e Einsatz nicht m glich starke Interaktion mit Oz
131. alytics GmbH 2008 Gr ndler 2004 Kurzweil et al 2009 Das Ozonmessger t AMI Codes Il von SWAN arbeitet nach dem kolorimetrischen oder photometrischen Prinzip s 3 3 1 Indigocarminmethode und Spektralphotometrie Ozon reagiert bei dieser Methode in schwach saurer L sung mit N N diethyl p phenylendiamin DPD zu einem rotvioletten Farbstoff Wursters Rot St rende adsorbierende Substanzen werden bei der DPD Methode maskiert d h dass ihre Reaktion mit DPD zumindest zum Teil unterbunden wird und demnach von den St rsubstanzen keine berm ige Zuf rbung der L sung ausgeht Im Allgemeinen handelt es sich bei dieser Methode um eine Anlehnung an die DIN 38408 SWAN Analytics 2006 2 5 Elektrolytische Ozonerzeugung ber bordotierte Diamantelektroden 2 5 1 Grunds tzliches Verfahren des electrochemical advanced oxidation process EAOP Entgegen der meisten konventionellen Verfahren wird bei der Ozonerzeugung mittels BDD bordotierte Diamantelektroden das gasf rmige Oxidationsmittel in situ also direkt aus dem Wasser hergestellt was die Einbringung in das und die Vermischung mit dem Wasser vereinfacht Die BDD s werden in einem speziellen Verfahren aus einem Niob Streckgitter gefertigt auf dem mittels CVD chemical vapour deposition eine vollfl chige Diamantschicht im nano bis mikroskaligen Bereich entsteht s 2 5 2 Um den Stromfluss auch in W ssern mit niedriger Leitf higkeit zu erm glichen wird ein Feststof
132. amtmessstrecke darstellt die gemittelte Rautiefe DIN 4768 die dem Mittelwert aus den Einzelrautiefen 7 aufeinanderfolgender Einzelmessstrecken entspricht und die maximale Rautiefe Rmax als die gr te Einzelrautiefe innerhalb der Gesamtmessstrecke Mahr GmbH 2005 Deutsches Institut f r Normung e V DIN 1974 3 3 6 ATP Tests Diese beiden Schnelltests basieren auf dem Nachweis hygienischer Verunreinigungen auf Oberfl chen bzw Verkeimungen von Fl ssigproben durch die quantitative Bestimmung von intra und extrazellul rem Adenosintriphosphat ATP mittels Luciferin Luciferase Reaktion in einem gepufferten Medium Das hierbei ausgestrahlte Licht wird mit Hilfe eines 69 Material und Methoden Luminometers gemessen und in relativen Leuchteinheiten RLU relative light units angezeigt Laut Hersteller sind die Testkits geeignet zur Selbst berwachung eines Betriebes im Rahmen des HACCP Konzeptes Hazard Analysis and Critical Control Points nach der Lebensmittelhygiene Verordnung Macherey Nagel GmbH 2009 Macherey Nagel GmbH 2009 Hofmann 2006 Der Oberfl chentest geht in der Art von statten dass ein eigens hierf r konzipiertes Wattst bchen ber eine definiert gro e Oberfl che von 10 cm x 10 cm gestrichen wird und die Verschmutzung mit einer Aktivierungsfl ssigkeit vermutlich einer Kombination aus Extraktions und Biolumineszenzreagenz aus einer am Ende des St bchens befindlichen Kammer in ein
133. andes noch der Wechsel vom frontalen auf den parallelen Anstr mwinkel zielf hrend Wie bereits im Laborma stab vermutet schneidet die frontale Anstr mung in Kombination mit dem Standardelektrodenabstand deutlich am besten ab 178 Diskussion der Ergebnisse Die Versuche zur Str mungslenkung ergeben eine ber 10 ige Verbesserung der Elektrodenperformance bei der doppelten Anstr mung im 90 Winkel und der vierfachen Anstr mung Aus Kostengr nden bei einer sp teren Serienfertigung wird die 90 Variante bevorzugt Dadurch wird das Ergebnis der Anstr mrichtung frontal wiederum eliminiert da bei einer doppelten Anstr mung im 90 Winkel sowohl frontal als auch parallel angestr mt wird Im Leistungstest dieser optimalen Variante wird deutlich dass durch die Auswahl m glichst enges Rechteckinnenrohr zur direkten Stackfixier amp ung minimale Anstr mh he Standardelektrodenabstand doppelte Anstr mung im 90 Winkel insgesamt ber 20 Ozonleistung gewonnen werden k nnen Im Gegensatz zu den Laborversuchen kann zwar die Nominalleistung des Stacks nicht ganz erreicht werden jedoch ist das vorliegende Ergebnis zufriedenstellend Unter Einbeziehung des Elektrodenalters geht man derzeit von gut 90 der Nominalleistung aus was ebenfalls durch einen Leistungstest mit einer neuen Elektrode best tigt werden konnte Hier konnten bei 120 A also 6 g h Nominalleistung maximal 5 5 g Ozon pro Stunde hergestellt werden Erst
134. antonalen Laboratoriums Basel Stadt 13 August 2001 Trepte J 2011 M ndliche Auskunft im Zuge einer F hrung durch die Produktionsst tte der Condias GmbH Itzehoe s n 13 April 2011 Trinkwasserverordnung 2001 2006 Trinkwasserverordnung 2001 Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren 11 idF vom 6 6 nderung Stand Juli 2006 2006 Trinkwasserverordnung 2001 2009 Trinkwasserverordnung 2001 idF vom Dezember 2009 2009 TU Darmstadt 2008 bungsskript und Formelsammlung TSL Skript Darmstadt s n 1 Februar 2008 TU M nchen 2001 Physikalisches Praktikum Weihenstephan Versuch Elektrolyse Freising Weihenstephan s n 2001 TUM ESAU amp HUEBER GmbH 2010 Anlage 4 zum Antrag des Kooperationsprojekts Entwicklung eines Verfahrens zur Desinfektion von Brauereianlagen mittels ozonhaltigen Wasser Freising Schrobenhausen s n 2010 5 1 3 Literaturverzeichnis TUM ESAU amp HUEBER GmbH 2010 Kooperationsvereinbarung f r das Projekt Entwicklung eines Verfahrens zur Desinfektion von Brauereianlagen mittels ozonhaltigen Wassers Freising Schrobenhausen s n 2010 S 7 T rk Jochen 2009 Eliminierung von Spurenstoffen mittels erweiterter Oxidationsverfahren AOP Pr sentation Wasserseminar 2009 2009 Ullmann 1976 Ullmanns Encyclop die der technischen Chemie 4 1976 S 260 f Bd 10 Ullmann 1981 Ullmanns Enzyklop die der technischen Chemie 4 Weinh
135. ar ausreichen eine mikrobiologisch valide Lebensmittelproduktion durchzuf hren Im Bereich der Pharmazie wird das Verfahren oft in Reinstwasserringleitungen eingesetzt die beispielsweise unter st ndiger Beaufschlagung von kleinen Dosen Ozon auf einem Minimalwert an mikrobiologischer Last gehalten werden als Indikatorparameter wird bei dieser Anwendung zumeist auf den TOC online gemessen zur ckgegriffen Bendlin et al 2004 Das gemeinsame Ziel der obig definierten Reinigung und der Desinfektion ist es Lebensmittel hygienisch einwandfrei und mit angemessener Haltbarkeit zu produzieren wobei wie gesagt die Reinigung den Mikroorganismen den N hrboden entziehen soll sodass deren Wachstum unterdr ckt wird Kulozik et al 2010 Unter der Desinfektion versteht man nun das gezielte Abt ten von Mikroorganismen durch chemische physikalische und oder mechanische Verfahren die je nach Eigenschaften des zu desinfizierenden Gegenstandes und Art und Umfang der mikrobiellen Kontamination verwendet werden Kulozik et al 2010 Deutsches Institut f r Normung e V DIN 2006 Jedoch wird diese recht allgemein gehaltene Definition durchaus unterschiedlich interpretiert bzw angepasst Wallh u er 1995 In der Getr nketechnologie z B wird die Desinfektion als v llige Abt tung aller pathogenen Mikroorganismen und Reduktion aller anderen Keime auf einen Wert der keine negative Auswirkung auf die Produktqualit t haben darf bezeichnet
136. aren organischen Spurenstoffen erm glicht Kramer et al 2008 Der Vorteil einer Ozonierung ist dass sich die Ozonmolek le aufgrund ihrer Reaktivit t und der damit verbundenen Instabilit t im Laufe der Zeit r ckstandsfrei zersetzen Die Pharmaindustrie hat bereits das Potenzial der Ozontechnologie f r die Desinfektion von Wasser entdeckt Bei der Produktion von Arzneimitteln muss ohne konventionelle Chemikalien desinfiziert werden was durch die streng berwachte Nachweispflicht einer chemikalienfreien oder r ckstandslosen Produktion durchgesetzt wird Multhauf 2006 Des Weiteren kommt die Ozonierung bisher bei der Entkeimung von Schwimmbecken Trink und Abwasser zum Einsatz als Bleichmittel und damit Substitut f r Chlor und seine Derivate in der Papier und Zellstoffindustrie erfreut es sich ebenso wie zu Synthesezwecken in der chemischen Industrie und zur Desodorierung vermehrter Beliebtheit Hapke 2010 Neben der Desinfektion von Arbeitsfl chen in lebensmittelverarbeitenden Betrieben findet Ozon auch im Brauwesen bereits Anwendung vor allem zur Brau und Brauchwasserdesinfektion Kleiner 2001 So hat z B die ESAU amp HUEBER GmbH bereits 2005 das ESAZON System eingef hrt das auf Basis einer elektrolytischen Ozongenerierung arbeitet und das Ozon in situ also durch die Physisorption und eine anodische Oxidation direkt aus dem Wassermolek l heraus bildet Daraus leitet sich auch der Begriff der Ozonisierung als Inte
137. arianten in den nachfolgenden Tabellen aufgezeigt Tabelle 14 und 15 Berechnung der freien Durchgangsfl che bei g ngigen Stackgr en durch Berechnung der Einzelfl chen 4 g h Nominalleistung 6 g h Nominalleistung L nge Reaktor L nge Reaktor 96 mm Breite Reaktor Breite Reaktor 96 mm Fl che Reaktor Fl che Reaktor 9216 mm Anzahl PVDF Verschraubungen Anzahl PDE 3 Verschraubungen Fl che PVDF Schrauben Fl che PVDF Schrauben 558 mm Anzahl Plattenelektroden Anzahl Plattenelektroden 6 Fl che Elektroden Fl che Elektroden 1394 mm Anzahl Abstandsh lsen Anzahl Abstandsh lsen 15 Fl che Abstandsh lsen 956 mm Fl che Abstandsh lsen 1593 mm Fl che Inliner 2722 mm Fl che Inliner 3067 mm Seitliches Spiel 456 mm Seitliches Spiel 191 mm Freie Durchgangsfl che 2131 mm Freie Durchgangsfl che 2604 mm Tabelle 16 Berechnung der freien Durchgangsfl che bei g ngigen Stackgr en bei Verwendung von Polylinien Stackgr e 4g 6g Fl che n mm 6048 8256 Gesamtfl che Rohr E S mittlere Quadranten 3x256 5x256 untere obere 2x440 68 2x 630 21 Polylinie O O Ir seitliche Polylinien 2x219 72 3x 219 72 Gesamt 27368 3765 86 Anhand der ermittelten Durchgangfl chen lassen sich Gr en wie die Reynoldszahl einf hren s 3 4 Die Berechnung dieser dimensionslosen Kennzahl erfolgt ber die Str mungsgeschwindigkeit die im Mittel bei einer bel
138. asch einsetzende mikrobizide Wirkung gro es und langanhaltendes Wirkungsspektrum o Wirkungsl cken bakterielle Sporen hochresistente Viren und m gliche Kontamination der Umgebung Rekontaminationsgefahr z B beim Absp len der Mittel e stabil gegen physikalische chemische und biologische Einfl sse Wirkungsabh ngigkeit von Konzentration Temperatur und pH Wert o Wirkungsverlust und oder Zersetzbarkeit durch Konzentrations nderungen oder Eiwei fehler o eingeschr nkte Durchdringung organischen Materials Wirkungsmindernde Interaktionen mit Wasserbestandteilen e hinreichende CIP und Penetrationsf higkeit vollautomatische Dosierbarkeit o Hohe Viskosit t und oder Oberfl chenspannung des Mediums e Schaumerhaltung z B bei Bier o Drainage und Koaleszenzneigung bei R ckst nden im Produkt e nicht toxisch sensibilisierend mutagen karzinogen teratogen geruchsintensiv bei unsachgem er Anwendung Gesundheitsgef hrdung des Personals o Verbleib von Restchemikalien im Produkt e gut l slich mit verschiedenen Materialien vertr glich farblos gut benetzend Materialkorrosion mit Qualit tseinbu en e wirtschaftlich o Erh hung der Abfall Abwasserkosten e Allgemein gute Umweltvertr glichkeit Bodenschatz 2006 Kramer et al 2008 o Persistenz der Chemikalie Theoretische Grundlagen Es ist praktisch unm glich alle oben stehenden Forderungen g nzlich zu erf llen Teilweise existieren sogar
139. atisch viel gemeinsam Fl ssiges Obst 2008 S 139 Evers H et al 2009 Elektrodiaphragmatisch hergestellt Der Einsatz von Anolytl sungen als Desinfektionsmittel Brauindustrie 2009 12 Fabjan C 1975 Die kathodische Reduktion von Ozon in sauren Elektrolyten Zusammenfassung Electrochimica Acta 1975 Falkner B 2009 Gasentladungslampen Online 2009 Zitat vom 24 August 2009 http www uni muenster de PhysikTD gasentladungslampen html FIGAWA Arbeitskreis Ozon 1985 Ozontechnik Deutscher Unternehmen Arbeitskreisbericht 1985 36 Fischer V 2010 Sanit rtechnik s l Innowatech GmbH 2010 Floriano W B Blaszikoswki S R und Nascimento M A C 1995 Journal Molecular Structure Theochem 1995 335 5 51 57 F rster H et al 2002 Comparative Investigations of Hypochlorite Formation on Platinum and Diamond Electrodes New Diamond and Frontier Carbon Technology 12 2002 2 Fottner G 2006 Bedienungsanleitung ESAZON Stack Schrobenhausen ESAU amp HUEBER GmbH 2006 Literaturverzeichnis Fryda M 2003 The Electrochemical Society Interface 2003 S 40 44 Fryda M 1997 Diamantschichten f r die chemische Industrie Nachrichten Chemie Technik Labor 1997 4 Fryda M 2009 M ndliche Auskunft Schrobenhausen s n 17 November 2009 Fryda M 2010 NADINE Treffen Grundlagen Diamantelektroden Schrobenhausen s n 6 Oktober 2010 Fryda M und Matthee
140. atz 3 Hamburg Behr s Verlag 2006 5 1 Braunwarth H und Brill H 2008 Aseptische Filtration Buchverf A Kramer und O Assadian Hrsg A Kramer und O Assadian Wallh u ers Praxis der Sterilisation Desinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 S 139 ff Bremer 2009 Telefonische Auskunft T V S d 20 Mai 2009 Bronkhorst M ttig GmbH 2009 Surface Treatment Diamond Deposition HFCVD 2009 S 1 2 Burton L B 2002 Wastewater Engineering Treatment and Reuse 4 2002 S 289 Buxton G V et al Critical review of rate constants for reactions of hydrated electrons hydrogen atoms and hydroxyl radicals in aqueos solution Journal Physics Chemistry Reference Data 17 S 513 886 Canizares P et al 2005 Persulfate Activation by BDD Electrodes Journal Chemistry Technology Biotechnology 2005 80 S 565 Chemgapadia 2009 Radikalische Substitution Mechanismus Online 2009 Zitat vom 31 August 2009 http www chemgapedia de vsengine vlu vsc de ch 12 oc vlu_organik radikale substituti onsmech vlu Page vsc de ch 12 oc radikale subst_mechanismus subst_mechanismus vscm l html Choy K L 2003 Chemical vapour deposition Progress in Material Science 2003 48 S 57 170 Comninellis 2011 History and future of the BDD electrodes Vortrag zum 10j hrigen Gr ndungsjubil um der Condias GmbH Itzehoe s n 2011 Condias GmbH 2006 Analyenvorsch
141. aumf llung zur Vermeidung mechanischer Besch digung und mikrobiologischen Wachstums soll die bestm gliche Auswahl getroffen werden Die in der ersten Reaktorstudie verwendete Natriumdisulfit Wasser L sung wird mit alternativen F llungen unter Zuhilfenahme einer Entscheidungsmatrix verglichen Das Ergebnis der Bewertung entscheidet ber die zuk nftige Wahl der Reaktorf llung Schweflige S ure ist eine der ltesten Konservierungsstoffe die trotz toxikologischer Vorbehalte auch heute noch unentbehrlich ist Schwefeldioxid einige Sulfite Bisulfite und Pyrosulfite sind in zahlreichen L ndern sogar zur Lebensmittelkonservierung erlaubt In 1 2 iger L sung dient schweflige S ure im brigen als Desinfektionsmittel f r Ger te F sser Flaschen Korken usw vor allem im Weinbau Wallh u er 1995 Beurteilung Druckraumf llung Natriumbisulfit Im Zusammenhang mit der ersten Reaktorstudie wurde ein Druckraum zur Stabilisierung des eigentlich rechteckigen Reaktorinnenraumes und zur Verbesserung der Optik etabliert Dieser Druckraum wurde testweise mit 0 25 iger w ssriger Natriumhydrogensulftil sung zur Unterdr ckung des Wachstums und Metabolismus von aeroben Keimen bef llt durch deren Gasbildung die Rechteckh lle Schaden nehmen k nnte Nach ca 6 Monaten Lauf bzw Standzeit musste sicherheitshalber berpr ft werden ob die F llung sowohl e verfahrenstechnisch Druckstabilit t etc e mikrobiologisch als auch e optisch
142. aunlicherweise ergibt sich bei der Auftragung der Ozonleistung gegen die Reynoldszahl ein zumindest f r die bisherigen Untersuchungen atypisches Bild Die lineare Regression als korrekteste Modellfunktion best tigt jedoch auch die Kernaussage dass h here Volumenstr me aufgrund des Abtransports der Ozonbl schen eine bessere Elektrodenperformance bewirken ndert man die Auftragungsweise so weist die Analyse eine starke hnlichkeit zu den Laborversuchen auf in denen ebenfalls allein durch die berschreitung einer bestimmten Reynoldszahl eine erhebliche Steigerung der Ozonleistung m glich war In den Praxisversuchen liegt besagte Reynoldszahl bei etwa 1 3 x 10 ein in der Praxis mitunter leicht erreichbarer Wert Die Str mung sollte nach M glichkeit sowieso Werte gt 10 erm glichen um Vorgaben des Hygienic Designs zu erf llen Bendlin et al 2004 Die Farbinjektionen f hren trotz der nur subjektiven Bewertungsm glichkeit zur Entscheidung bereits durch aufgeweitette Wasserzu und abl ufe eine Str mungshomogenisierung zu bewirken Auff lligerweise entstehen die Zonen mangelnder Str mungsgeschwindigkeit gerade in den Bereichen des Reaktors die sich auf einer Linie mit der bisher vorgesehenen An und Abstr mung befinden Deshalb erfolgt diese Ma nahme ber eine Aufreduzierung und Vergr erung der betreffenden Flansche auf ein Ma knapp unter dem Au enma des Rechteckinnenrohrs Bei der Konstruktion der schlussendlichen
143. ber die Startkonzentration ist ann hernd ausgeschlossen da diese noch deutlich von der L slichkeitsgrenze entfernt liegt und es somit nicht zu berm igen Ausgasungen kommen kann Nissen 1986 berraschenderweise hat die Medientemperatur einen eklatant hohen Einfluss auf die Ozongenerierungsleistung Mit hoher Wahrscheinlichkeit l sst sich dieses Ergebnis mit der niedrigeren Lebenszeit der an der Anode entstehenden Hydroxylradikale erkl ren Die Molek lst e drei Hydroxylradikale oder ein Hydroxylradikal mit einem Sauerstoffmolek l die zur Bildung des Ozons notwendig sind verringern sich anscheinend trotz der in der Regel bei h heren Temperaturen steigenden Brown schen Molekularbewegung Ein weiterer Faktor der die ann hernd linear abnehmende Ozonleistung bedingen kann ist die mit steigender Temperatur sinkende L slichkeit des Sauerstoffs H ll 2002 was ber die Verknappung eines weiteren potentiellen Reaktionspartners ebenfalls Einfluss auf die Ozonleistung hat F r eine etwaige Extrapolation z B bei Temperaturen knapp ber dem Gefrierpunkt in Lagerkellern mit Raumk hlung kann der Einfachheit halber statt der genaueren polynomischen auch die lineare Regression mit einem Regressionsfaktor von immer noch ber 99 verwendet werden Trotz der eindeutigen theoretischen Zusammenh nge zwischen Druck und Gasl slichkeit erweist sich eine Erh hung des Systemdrucks als wenig effizient Da bei den vier sowohl hydraulisch
144. bnisse jedoch deutlich schwieriger In der Ozonabbauphase I 62 100 min liegt das Verh ltnis mit 1 42 noch in etwa gleich in Ozonabbaphase Il 100 200 min variiert das Verh ltnis sehr stark weshalb die beiden Kurven durch die Berechnung der jeweiligen Halbwertszeit miteinander verglichen werden Da diese beiden Phasen jedoch f r einen Desinfektionsvorgang nur sekund re Bedeutung haben erscheint allein die Erkenntnis f r den Ozonaufbau als sehr wertvoll Gem den Ergebnissen der Versuchsreihe Halbwertszeiten bei Normal und berdruck ist die Halbwertszeit zumindest bei vorhandenem gasf rmigem Ozon stark systemdruckabh ngig Bei h heren Dr cken herrscht eine h here Kompressibilit t vor zudem steigt Konzentration des gasf rmigen Ozons aufgrund des fehlenden Gasaustauschs mit der Umgebung Folglich ist die S ttigung der Gasphase h her und es steht mehr Ozon zur Absorption bereit wodurch in Summe prozentual weniger gel stes Ozon verschwindet als dies bei kleineren Dr cken der Fall ist 5 4 2 Vorl ufige Auswahl Favorisierung der Reinigungsarmatur Bei der Ermittlung der Betriebszust nde wurde die Theorie best tigt dass bei Einsatz des Schwallreinigers der Energieeintrag ins System aufgrund des erh hten Bedarfs an Versorgungsdruck betr chtlich gr er ist als bei der Spr hkugel Bei den gew hlten Betriebspunkten und der in der Demonstrationsanlage zum Einsatz kommenden Umw lzpumpe ben tigt der Schwallreinig
145. bons uren Peroxidverbindungen und oberfl chenaktiven Tensiden Desinfekti ittel esinfektionsmitte Oberfl chenaktive bzw verfahren Halogencarbons uren Peroxidverbindungen Tenside Merkmal Art des Verfahrens chemisch physikalisch NT Peressigs ure kationische und Hauptvertreter Monobromessigs ure Wasserstoffperoxid amphotere Tenside diverse in der Regel EE Weitere Vertreter Kaliumpermanganat anionische Tenside Exoten Generelle Eignun 8 6 vorhanden vorhanden vorhanden OF Desi Adh si MO Oxidationen ber en oxidativ Anion sehr Oberfl che nderung Singulettsauerstoff Be stabil und der Permeabilit t Enzyme und elektronegativ Zellwandtransport Strukturpolymere sch den OF Desi Trinkwasser Hauptanwendungs GE Dee aufbereitung OF Desi Hand und gebiete mangan arsenung Produktdesinfektion Abwasseraufbereitung konzentration deutlich h her H303 0 1 0 3 stark saure Reaktion Kombinationsschritt temperatur und pH Saure Reinigung Wertabh ngige Wirkung Desinfektion m glich Preis relativ niedrig mittel mittel halogenierte Tranformations und Anwendungs starke Temperatur und pH Wertabh ngigkeit lange Einwirkzeiten bezogene Besonderheiten m gliche Desinfektions Essigs ure Braunstein entfallen Reaktionsprodukte Bromid Bromat Haut und Gef hrdungs Schleimhautreizungen Augen Haut und gute potential Mensch pe
146. ch bei niedrigen und hohen Durchfl ssen 6 72 1 weichen die Messwerte allerdings je um etwa ein Drittel ab Das Ergebnis ist insofern berraschend da die Einstellung von 6 l h noch im Bereich des empfohlenen Volumenstromes liegt Genauigkeit und Messwertstabilit t Zur berpr fung der Genauigkeit und Stabilit t werden die Messwerte der Sensoren mit der Indigocarminmethode im Durchlauf und im Kreislaufbetrieb der Anlage referenziert Der Volumenstrom wird auf konstant 12 mh die Stromst rken auf die bereits in 4 4 1 verwendeten 160 240 und 320 A eingestellt Bei der nachfolgenden Auswertung wird jedes der drei Ozonmessger te einzeln betrachtet indem sowohl die Auswertung des Durchlaufbetrieb gezeigt wird und dazu die Auff lligkeiten des jeweiligen Sensors beschrieben werden als auch der Kreislaufbetrieb bei ausgew hlten Parametern an einem Ozonaufbau s Abbildung 124 dargestellt wird Beim Durchlaufbetrieb gestaltet sich der Vergleich einfacher da der Graph im Idealfall waagrecht verl uft au er bei den Amin tigen Umpolungen Die Auswertungen des Kreislaufbetriebs haben jedoch die bedeutend h here Praxisrelevanz In Abbildung 121 ist zu sehen dass die Werte des Mettler bei konstanter Ozonproduktion nicht konstant sind Die Werte liegen teils ber den gemessenen Indigocarminwerten teils darunter Bei h heren Konzentrationen sind nach den Umpolungen lineare Steigungen zu erkennen bis der Sensor wieder die tats chliche Oz
147. ch mittels der Vorgehensweise aus 3 4 aus den Ozonkonzentrationskurven des Tankein und auslaufs die jeweilige Ozonexposition zu berechnen und so einen Vergleich zu haben inwiefern Ozon zwischen diesen beiden Positionen verbraucht bzw ausgegast wird Wegen der Nutzung der Modellfunktionen der Ozonmessungen entfallen wiederum die Konfidenzintervalle Dieser Versuch ist von der Chronologie her vor den Versuchen aus 4 4 1 einzuordnen Ozonexposition Tankdesi Labor Vergleich Tankein und auslauf Stromst rke 5 A Temperatur 17 C Volumenstrom 4 1 Puffervolumen 2 1 Leitf higkeit ca 620 uS cm Tankeinlauf y 0 0127x2 1 3248x 1 3458 R 0 9997 Tankauslauf y 0 9894x 0 9994 7 E x N 25 45 30 Zeit min Tankunten m Tank oben Poly Tank unten Poly Tank oben Abbildung 115 Vergleich Ozonexposition am Tankein und auslauf in einem Laborversuch mit 5 0 A Aus obiger Abbildung geht hervor dass die Ozonexpositionen f r Tankein und auslauf nur geringf gig divergieren Die Exposition am Tankauslauf ist ab der zehnten Minute der Desinfektion konsequent ca 5 mg min l niedriger als am Einlauf Abgleich ATP Test und Standardmikrobiologie Der in 3 3 6 dargestellte Test zum Nachweis hygienischer Verunreinigungen auf Oberfl chen bzw Verkeimungen von Fl
148. ch 6 Monaten Lauf bzw Standzeit wird deswegen momentan diese Variante favorisiert und weiterhin verwendet Als Alternative kristallisiert sich eine ca 70 ige Ethanoll sung heraus die in der Bewertung nur geringf gig schlechter abschneidet 5 3 Konstruktion und Bau der Demonstrationsanlage f r die Oberfl chendesinfektion Die Anlagenleistung wird gem dem durchgef hrten Scale Up final auf 16 g h festgelegt um auf Eventualit ten reagieren und durch die Minimierung des Stromes das Optimum der Desinfektion finden zu k nnen Die Aufteilung dieser 16 g h Nominalleistung erfolgt auf drei Str nge ein Strang mit 4 g h und zwei Str nge mit 6 g h Maximalleistung 183 Diskussion der Ergebnisse Alle GMP Richtlinien zum Aufbau von CIP Desinfektions Anlagen die bereits in 2 6 erl utert wurden werden im Verlauf des Demonstratorenbaus als absolute Maximen angesehen Auf die generelle Materialauswahl wurde bereits eingegangen s 4 2 s mtliche Verbindungen und hygienerelevanten Positionen im System werden ebenfalls gem Richtlinien erf llt Die Oberfl cheng ten der Verrohrung Armaturen und Schwei n hte werden durch Orbitalschwei ungen sichergestellt kritische Stellen ber eine Nachpolitur auf eine gen gende Oberfl chenrauigkeit eingestellt Die chemische Reinigung und Passivierung sorgt f r die notwendige Langlebigkeit dieser Qualit t Eine Entgasung der Anlage via Schwimmerentl ftung der integrierte Trockenlaufschu
149. ch generierten Ozons angepassten Steuerung W hrend der Demonstrator im Handbetrieb f r s mtliche Validierungen nutzbar ist und ber ein breites Spektrum an unterst tzenden Funktionen verf gt ist der Automatik und Desinfektionsbetrieb bereits als Programmabfolge f r die sp teren Desinfektionen vorgesehen Die intuitive Steuerungslogik und die klar definierten Berechtigungsebenen erm glichen dem jeweiligen Nutzer die problemlose Steuerung die mittels Remote Zugriff sogar von einem Spezialisten als Administrator bei Bedarf auch aktiv berwacht werden kann Alarm und Warnmeldungen verhindern zudem eine Fehlbedienung sind selbsterkl rend und zeigen z B das Ende der Lebenszeit der Elektrodenstacks oder Kabelbr che an 184 Diskussion der Ergebnisse 5 4 Verfahrenstechnische Untersuchungen zur Oberfl chendesinfektion 5 4 1 Ozonauf und abbau in realen zyklischen Systemen Das logarithmische Verhalten des Ozonaufbaus ist ber zwei Ph nomene erkl rbar Einerseits wird immer eine hnliche Ozonmenge und masse pro Zeiteinheit gebildet andererseits wird durch den exponentiellen Abbau in h heren Konzentrationsbereichen und durch die kathodische Reduktion an den Diamantelektroden das entstandene Ozon wieder degradiert Da sich nach einer gewissen Zeit und vor allem ab einer gewissen Ozonkonzentration ein Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und zerst rung und damit ein station rer Wert einstellt ist die logarith
150. ch mit 2 94 Punkten etwas dahinter Bei der endg ltigen Auswahl eines Sensors stehen jetzt mit dem SWAN und Orbisphere zwei Sensoren zur Verf gung deren Charakteristik sehr verschieden ist Wenn z B mehr Wert auf das Tr gheitsverhalten des Sensors gelegt wird und der Preis eher sekund r ist liegt die Wahl des Orbisphere nahe 192 Diskussion der Ergebnisse Tabelle 42 Nutzwertanalyse Online Sensorik Gewichtung Mettler Orbisphere SWAN Bewertungskriterium G Bewertung G Bewertung B G Bewertung G Messung 40 Genauigkeit 15 3 0 45 4 0 6 3 0 45 Tr gheitsverhalten 10 4 0 4 5 0 5 1 0 1 Kalibrierung 10 Durchf hrung 5 2 0 1 5 0 25 2 0 1 Nachkalibrierungsaufwand 5 3 0 15 4 0 2 4 0 2 Benutzerfreundlichkeit 15 Einstellung Volumenstrom 10 1 0 1 1 0 1 5 0 5 Anzeige 3 2 0 06 5 0 15 2 0 06 Handling 2 4 0 08 4 0 08 4 0 08 Sonstiges 35 Wartungsaufwand 10 4 0 4 4 0 4 2 0 2 Preis 25 3 0 75 1 0 25 4 1 Gesamtnutzwert 100 2 94 3 28 3 29 Bewertungsschema 1 Punkt schlecht 5 Punkte gut Da die Konzentrations nderungen bei einer Desinfektion mit ozonhaltigem Wasser in der Regel allerdings eher gering ausfallen kann f r den in dieser Arbeit thematisierten Einsatzbereich der SWAN ausgew hlt werden Die Entscheidung wird nochmals durch die Tatsache bekr ftigt das
151. ch physikalische Desinfektionsmittel verfahren und deren Kombinationen aufgef hrt 16 Theoretische Grundlagen Tabelle 5 Eignung von Chlor Chlordioxid und elektrochemischer Aktivierung Desinfektionsmittel Be Elektrochemische bzw verfahren Halogene Chlordioxid FR Aktivierung Merkmal Art des Verfahrens chemisch physikalisch Chlor gas Chlordioxid Hypochlorit lod Brom Weitere Vertreter Fluor lodophore keine Chlorabspalter Generelle Eignun g 6 vorhanden vorhanden vorhanden OF Desi Oxidation von Enzymen Oxidationen ber Proteinen und Singulettsauerstoff oder Strukturpolymeren Aktivchlor Unterbrechung N hrstofftransport Oxidationen ber Singulettsauerstoff ode Aktivchlor s Hypochlorit Trinkwasser Trinkwasser Hauptanwendungs Trinkwasser 7 aufbereitung OF Desi aufbereitung OF Desi gebiete aufbereitung Desodorierung Produkt bis 1 2 mg l freies Chlor 0 4 mg l laut TVO meist laut TVO 0 2 mg l wegen Ausnahmef lle 6 mg l Chloritgehalt Anwendungs bis 5 in der Regel konzentration 0 5 nach Behandlung max niedrige pH Werte und Anwendungs Herstellung vor Ort 0 3 mg l Restgehalt relativ geringe pH starke pH 8 p f rderlich Herstellung d Wertabh ngig keit Wertabh ngigkeit vor Ort Preis niedrig relativniedrig relativ niedrig Haloforme Chlorit Chlorit Chlorat Haloforme Chlorit i m gliche Chlorat Per
152. ch vollst ndig von den Elektroden und Membran Oberfl chen l sen kann ebenso wie 1molare Essigs ure s Abbildung 58 und 60 101 Ergebnisse SpotMagn Det WD Exp 2m 10000x SE 92 8 Teen gn Det 200020 10000x SE 94 8 F516_046 Abbildung 57 und 58 REM Aufnahme nach Behandlung einer verkalkten Elektrode mit 1 Zitronens ure links und 1molarer Essigs ure rechts Mangold et al 2011 d d Ale 28 SpotMagn Det WD Exp SpotMagn Det WD Ep kl 10m 20 2000x SE 1183 F5 GES V30 2000x SE 102 8 516043 Abbildung 59 und 60 REM Aufnahme nach Behandlung einer verkalkten Membran mit 1molarer Zitronens ure links und Imolarer Essigs ure rechts Mangold et al 2011 Basierend auf diesen Ergebnissen wird der letzte Versuch dieser Reihe mit 1molarer HCI durchgef hrt Entkalkung und Membranwechsel an einem real verkalkten Stack Zur Eruierung des Einflusses der Entkalkung und einem nachgeschalteten Membranwechsel wird die Ozonproduktion eines w hrend des Betriebes in hartem Wasser bei einem Endanwender verkalkten 4g Stacks vor und nach der Reinigung mit Salzs ure und wiederum nach dem einem Austausch der Membranen untersucht Zum Entkalken werden die Elektroden wieder demontiert und 4 Stunden lang bei Raumtemperatur in 1molare HCI L sung getaucht Zus tzlich werden alle 4 Membranen des 4g Stacks gegen neue Membranen ausgetauscht Abbildung 61
153. ch von der Steuerung her hnelt diese Anlage bereits stark der Oberfl chendesinfektionsanlage und kann hardware und softwaretechnisch als Vorl ufer gewertet werden ohne der Applikation Gen ge leisten zu k nnen In Abbildung 32 sieht man den grunds tzlichen Aufbau der Anlage deren exaktes R amp l Schema in Abbildung 34 dargestellt ist gt ET en S P Abbildung 32 Versuchsanlage zur Evaluierung von Entkalkungsroutinen Die Versuchsanlage besteht aus Edelstahl der G te 1 4404 V A hat ein Fassungsverm gen von ca 250 und besteht aus folgenden Komponenten e Hochdruck Kreiselpumpe CRN 10 4 Grundfos Hilge Tabelle 20 Leistungsdaten der CRN 10 4 Grundfos AG 2010 Medientemperatur K 253 15 bis 393 15 Drehzahl rpm 2896 Nennf rderstrom Nennf rderh he m PN16 e Tank M ller Fass Bruttovolumen 200 e 2 Membrandosierpumpen Grundfos DMX 221 35 10 82 Material und Methoden e Plattenw rmetauscher GEA Ecoflex NT50M CDS 10 angeschlossen e Umlaufk hler Lauda WK 2200 e Elektrolysezelle max 20 A e UV Desinfektionsanlage Gebr der Heyl LE 054 e 2 Filterkartuschen Amazon Filters 6103 mit Filterkerzen Lehmann amp Voss Alphaclean Maschenweite 5 um e Gleichstromquelle plating electronics Power Station pe 1028 e Multiparameter Auswerteeinheit Mettler Toledo 770 MAX e Diverse Probenahmeventile e Folgende Online Sensorik zur permane
154. chiebungen berechnet Zur Ermittlung m glichst genauer Ergebnisse wird darauf geachtet dass alle Elektroden zur exakt gleichen Zeit umpolen was durch den Betrieb mit der gleichen Stromst rke 3 x 80 A sichergestellt werden kann Die berechneten Zeitverschiebungen sind au erdem noch von dem eingestellten Dokumentationsintervall der Online Sensoren abh ngig das f r die vorliegenden Versuche 10 Sekunden betr gt Tr gheitsverhalten Zeitverschiebung bei Umpolung Stromvorgabe 240 A Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm 900 5 KK 1 Ozonkonzentration ppb l nnnundannnnndannd i D D D i D 1 1 hb D D i D hb D 1 D H D i D i D D i D D 100 t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Zeit min Orbisphere Mettler Toledo Umpolungszeitpunkt Abbildung 127 Tr gheitsverhalten Zeitverschiebung bei Umpolung 166 Ergebnisse Tabelle 37 Tr gheitsverhalten Zeitverschiebungen Sensor Zeitverschiebung Mettler 33 35 Orbisphere 28 3s SWAN 140 14s Das Ergebnis zeigt dass der SWAN im Vergleich zum Orbisphere und Mettler mit 140 Sekunden eine deutlich gr ere Verz gerung aufweist Alle Ergebnisse werden im Diskussionsteil zu einer Matrix zusammengefasst 4 4 5 Materialtest Bei der Verwendung von
155. chlorat Chlorat Perchlorat Perchlorat Desinfektions Chlorphenole Chlorphenole Trihalogenmethane je nebenprodukte Chloramine Trihalogen g Chloramine Trihalogen nach Reaktionspartner methane methane hohe Temperaturen bezogene Besonderheiten hohe Toxizit t 0 5 a hohe Toxizit t MAK 0 5 Gef hrdungs Toxizit t MAK 0 1 ppm m persistent Inaktivierung in h heren ppm p Transformations und Lebewesen Reaktionsprodukte Reaktionsprodukte Gef hrdungs Geschmacks geringe Geschmacks Geschmacks potential Produkt beeintr chtigungen beeintr chtigungen beeintr chtigungen ering vor Ort Lagerbest ndigkeit g 8 gut vor Ort Herstellung Herstellung Wirkungsspektrum sehr breit kaum L cken hoher Eiwei fehler Sa hoher Eiwei fehler u Erh hung Korrosivit t Wirkungsl cke Hefen Ets j bei W ssern lt 3 dH und sonstige Nachteile Mycobakterien und 9 bei Kondensation Schimmelpilze Explosivit t Erh hung Korrosivit t p ppm persistent Transformations und potential Mensch und Umwelt Wirkungsl cke Hefen Mycobakterien und Schimmelpilze Erh hung Korrosivit t mittels UV Bestrahlung _ Vor Ort Variante Bess Biofilmabbau keine radikalische Reaktionen E Resistenzen m glich m glich Besonderheiten des Chl bzw Verfahrens en Hypochloriteinsatz 17 Theoretische Grundlagen Tabelle 6 Eignung von Halogencar
156. chmacksbeein en tr chtigung Farbverlust Gef hrdungs potential Produkt entf llt bei korrekter Wahl der Maschenweite Farb nderungen Geruch Lagerbest ndigkeit Wirkungsspektrum sehr breit keine L cke sehr breit keine L cke keine Depotwirkung Material und Erh hung Bioverf g barkeit m glich Kumulationen tr chtigung keine Depotwirkung Verblocken der Filter Wechsel oder R cksp lung Crossflow Anlagenvertr glichkeit keine Depotwirkung sonstige Nachteile Abk hlphase vor Agglomerate Alterung der Lampen Photoprotektion erm glicht Kombinationsprozesse AOP s Ozonauf 185 nm und abbau lt 310 nm m glich Besonderheiten des Verfahrens weiterer Nutzung Kalkablagerungen Isolierung notwendig Vor Ort Herstellung Hei wasser auch zur Steigerung Kinetik konventionelle che mische Desinfektion teuer und kein Allheilmittel Filterhilfsstoffeinsatz m glich Partikel vergr berung Filterkaskaden m glich 20 Theoretische Grundlagen Die Informationen zur Erstellung obiger Tabellen stammen g nzlich aus folgenden Quellen Kulozik et al 2010 Laffer 2010 Schreiner 2008 Lenntech AG 2010 Bodenschatz 2006 Chemgapadia 2009 Bodenschatz 2006 Rychen 2003 Mutschmann et al 2007 Behmel 2010 Aqua Ville GmbH 2010 lotronic GmbH 2010 Zehetgruber 2009 Bodenschatz 2006 Greving et al 2006 Siemens Water Tech
157. d allgemein beim Vorhandensein erh hter organischer Last im Medium erscheint es bei Verwendung der Elektrode teilweise sinnvoller die notwendige Ladung anstatt der Ozonexposition f r eine gewisse Abt tungsrate anzugeben Durch die direkte Oxidation von TOC an der Diamantoberfl che und die sofortige Reaktion vieler Ozonmolek le ist die Bestimmung einer wirklichen Ozonkonzentration kompliziert und als wissenschaftlich inkorrekt anzusehen Halbwertszeit Zur Berechnung der Halbwertszeiten auf Laborebene und im Praxisma stab ist ebenfalls die mathematisch korrekte Formel zu w hlen Anhand der nach der Halbwertszeit umgeformten elementaren Beziehung in Gleichung 85 l sst sich diese Berechnung mit Gleichung 86 durchf hren WWT GmbH 2006 TEnd 2 Gleichung 85 t t Gleichung 86 ichu End In CH Mit Cena Ozonkonzentration nach der Zeit tend Ausgangskonzentration D Halbwertszeit des Ozons tena Zeitpunkt f r welchen die Ozonkonzentration gesucht wird Hydraulik F r die Auslegung des Demonstrators und zur Durchf hrung der hydraulischen Optimierungen ist ein Tabellenwerk der allgemeinen Str mungsmechanik und Druckverlustberechnung notwendig Die sog Kontinuit tsgleichung s Gleichung 87 ist als Interpretation des Impulserhaltungssatzes eine der wichtigsten Formeln in der Str mungslehre Sie besagt indirekt dass eine Verkleinerung der durchstr mten Querschnittsfl chke A bei gle
158. d die Widerstandsf higkeit des Diamants nicht herabgesetzt selbst Hydroxylradikale f hren zu keinem signifikanten Abtrag der Schicht Trepte 2011 Fryda 1997 In der Regel bewegt sich die Anzahl der Boratome pro Kubikzentimeter im Bereich von 10 10 Panizza et al 2005 41 Theoretische Grundlagen L Gi ai e Aaf EF u l EN La R CA d ZS Abbildung 11 REM Aufnahme Substrat Interface Diamantschicht Das Interface bezeichnet die Grenzfl che zwischen dem bei BDDs eingesetzten Tr germaterial Niob und der Diamantbeschichtung s Abbildung 11 Das Niob hat nicht nur die Aufgabe als Tr germaterial sondern muss auch durch eine durchgehende und homogene Beschichtung vor korrosiven Angriffen durch reaktive Sauerstoffspezies oder andere aggressive Medien wie z B stark anges uerte L sungen gesch tzt werden Diese Grenzfl che besteht aus und welches nicht nur adh siv an der Oberfl che gebunden ist sondern mit dem Substrat regelrecht verwachsen ist F r ein solides Interface also eine starke Bindung zwischen Substrat und Diamantschicht muss das Gleichgewicht zwischen Nb und stark auf die Seite des verschoben sein Trepte 2011 Grunds tzlich wird bei den Diamantbeschichtungen auf Niob auf nano bis mikroskalige Schichtdicken abgezielt wobei die Schichtdicke von den Faktoren Methanvolumenstrom Behandlungstemperatur und dauer abh ngt Trepte 2011 Ein wicht
159. d entspricht dem H rtebereich 3 Die Angabe sep Untersuchung bedeutet es liegen f r die jeweiligen Parameter separate Untersuchungs ergebnisse vor FREISINGER STADTWERKE VERSORGUNGS GmbH E Wippenhauser Stra e 19 85354 Freising Tel 08161 183 0 E Service Telefon 0800 183 183 0 info stw freising de www stw freising de Abbildung Anhang 2 Trinkwasseranalyse Freisinger Stadtwasser Abbildung Anhang 4 Flanschverbindungen auf H he des Modulrahmens Anhang Hl SIMATIC WinCC flexible Runtime SIMATIC PANEL AUTO HAND DESINFEKTION Jz 1 24 31 03 2011 KG Alarm Senso on Messung SIROO4 4 13 44 24 31 03 2011 KG Alarm Sicher unz less meer 10 1 16 erung 24 16F1 Eing nge 13 44 24 31 03 2011 EG Alarm Spannungssusfall Zur ck Abbildung Anhang 5 Meldefenster Alarm und Warnmeldungen EA SIMATIC WinCC flexible Runtime SIMATIC FAMEL AUTO HAND bESINFEKTION TALM 14 14 54 31 03 2011 Alarm Spannungsausfall 24 14 14 53 31 03 2011 Alarm Sensor Druchflus Generator 1 FICO02 28 14 14 53 31 03 2011 Alarm Sensor Druck 02 100 14 14 52 31 03 2011 Alarm Sicherung Generator 2 105 14 14 52 31 03 2011 Alarm Mindestspannung Sener akor 2 unterschritten 14 14 52 21 03 2011 KEGIQ TR Skromdifferenz soll ist Generator 1 Zur ck Abbildung Anhang 6 Meldearchiv Anhang CH SIMATIC WinCC flexible Runtime AUTO HAND
160. d nimmt kein ausgasendes Ozon mehr auf Damit kann die urspr ngliche Beladung im Wasser aufrechterhalten werden und es tritt eher die Ozonzehrung in den Vordergrund Abgleich ATP Test und Praxisversuche Der Abgleich zwischen der Standardmikrobiologie und dem ATP Test l sst die Schlussfolgerung zu dass ein Befund von 600 rlu einem Nullbefund in konventioneller Hinsicht entspricht Als absoluter Sicherheitsfaktor wird diese Grenze nochmals auf die H lfte herabgesetzt woraus eine Desinfektionsgrenze von 300 rlu resultiert Bei den im Praxisma stab am 22m Tank durchgef hrten Mikrobiologie Versuchen best tigt sich die Vermutung die bereits im Labor bestand Die Kombination aus der Desinfektion von mikrobiologisch wenig belastetem Rinswasser und hoch belasteter Oberfl che erweist sich f r den Einsatz von Ozon als sehr g nstig Aufgrund der ATP Tests auf der Tankoberfl che erscheint wiederum der Einsatz der Spr hkugel als die richtige Wahl da nur mittels der Kombination 320 A mit Spr hkugel die definierte Desinfektionsgrenze unterschritten werden kann Der Schwallreiniger weist somit keine bessere Desinfektionseffizienz auf Im Gegenteil anscheinend sind die Werte der Spr hkugel selbst bei 80 A niedriger als die des Schwallreinigers weswegen auch keine weiteren Versuche mit dieser Armatur durchgef hrt wurden s 5 4 2 191 Diskussion der Ergebnisse 5 4 4 Auswahl der Online Sensorik mit Nutzwertanalyse Die Ergebnisse zeige
161. damit einen eventuellen Wechsel der gesamten Elektrolysezelle besser plan und durchf hrbar die Demontage des Reaktors wurde deswegen durch verschraubte Flanschanschl sse erleichtert Des Weiteren konnte die Leistungsf higkeit und Effizienz im Vergleich zum Vorg ngermodell gesteigert werden Trotz dieser geometrischen Optimierungen kam es jedoch bei der Montage zu Schwierigkeiten mit der Passgenauigkeit Zus tzlich konnte die Druckstabilit t aufgrund des rechteckigen Geh uses nur durch Verst rkungsrippen in der Abbildung 22 nicht eingezeichnet sichergestellt werden was in Summe zu einem deutlich erh hten Produktionsaufwand f hrte Optisch konnte der Rechteckreaktor nicht an das hochwertige Erscheinungsbild des Vorg ngermodells ankn pfen 60 Material und Methoden Rundreaktor mit Inliner Ablauf Abbildung 23 Rundreaktor mit Inliner dritte Reaktorgeneration Die Druckstabilit t konnte bei dieser dritten Reaktorgeneration s Abbildung 23 durch die R ckkehr zur Verwendung eines zylindrischen Geh uses verbessert werden Der Inliner zur Fixierung der Elektroden f hrte zu einer gewissen Flexibilit t bei der Anpassung an das Geh use Das optische Erscheinungsbild wurde wiederum deutlich aufgewertet Die Verwendung des Inliners setzte den Selbstreinigungseffekt des Reaktors herab da sich durch das neue Konzept eine Totwasserzone im Au enbereich des Inliners ergab Diese Zone ist mit Wasser gef llt und bi
162. den bereits Einzug in das Regelwerk des DVGW DVGW Regelwerk 2002 Tabelle 12 Vergleich der Empfindlichkeit verschiedener Mikroorganismen gegen ber Ozon anhand der Expositionswerte f r die Reduktion um 99 DVGW Regelwerk 2002 Mikroorganismus O mg min l pH E coli 0 02 6 7 5 Polio 1 0 1 0 2 6 7 5 Rotavirus 0 006 0 06 6 7 5 Giardia lamblia 0 5 0 6 6 7 5 Die oben dargestellten auch bereits des fteren publizierten Ergebnisse bez glich der Abt tungswirkung von Ozon auch im Vergleich zu anderen Desinfektionsmitteln sollen nur einen kleinen Einblick in diesen Themenkomplex geben Da es gerade zur Abt tung diverser Validierungskeime mannigfaltige Untersuchungen gibt ist eine weitere Vertiefung vermutlich zum Teil sogar irref hrend Unerw nschte Nebenprodukte Bei der Anwendung von Ozon kann es zu einer Reihe von Nebenprodukten kommen die produkt und oder gesundheitssch dlich sind Die wichtigsten sind in der Folge aufgelistet Bromat Chlorat Sulfat Nitrat Durch die Oxidation von im Wasser enthaltenem Bromid entsteht in Abh ngigkeit von diversen Randparametern kanzerogenes Bromat Obergrenze laut TVO 10 yg l Trinkwasserverordnung 2001 2009 Hierbei werden f r die Oxidation des Bromids durch Ozon sowohl die eher tr ge Reaktion des Bromids mit Ozon als auch die rapide Umsetzung des Bromids durch das zwangsl ufig entstehende Hydroxylradikal beschrieben Rothe 2009 Folg
163. den wiederum die organische und anorganische Zusammensetzung des Wassers bei einer 30min tigen Behandlung des 500 I Sumpfes mit einer Stromst rke von 320 A berpr ft Im ozonisierten Wasser lagen s mtliche organischen Bestandteile unter der Nachweisgrenze weshalb die Bildung von organischen Desinfektionsnebenprodukten ebenfalls ausgeschlossen war Toxikologisch relevante anorganische Verbindungen wurden ebenfalls zu keinem Zeitpunkt der Ozonisierung nachgewiesen Unter den gegebenen Bedingungen wurden daher insgesamt keine bedenklichen Desinfektionsnebenprodukte gebildet Heim 2011 Die durchgef hrten Versuche zeigen jedoch dass die Qualit t des eingesetzten Wassers nicht unerheblich f r die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten sein kann daher sollte im Einzelfall eine ad quate berpr fung durchgef hrt werden Nur auf diese Weise kann sichergestellt werden dass sich die Ozonisierung nicht negativ auf die Produktqualit t und oder die Wasserqualit t des potentiell als Brauchwassers wiederverwendbaren Desinfektionsmediums auswirken kann Heim 2011 Korrosivit t oxidativer Desinfektionsmittel Alle oxidativ wirkenden Desinfektionsmittel wirken zu einem gewissen Grad auch korrosiv s Punkt 2 3 Aufgrund der diversen Oxidationsmittel die beim Ozoneinsatz in Wasser neben Ozon selbst entstehen k nnen ist die beschriebene Korrosivit t auch und gerade bei O nicht zu leugnen Mittels der konsequenten Umsetzung der im Materialtest f
164. der Einzelstr nge f r eine Nennweite von DN 25 und gleichberechtigten Str mungen Einzelstrang 4 und 6 g h Reaktor Ma zahl Einheit NS m h mm mg mm s g cm Lichte Weite d mm Berechnung Laminare Str mung bis Re lt 2320 0 0011 Turbulente Str mung 0 0206 Wahrer Wert 0 0206 Geht man davon aus dass alle drei Str nge gleichberechtigt sind d h dass der Volumenstrom in gleichen Teilen ber die Einzelstr nge flie t so f llt die Wahl auf die Nennweite DN25 Mit einer Spannbreite von minimal unter 1 mh und maximal 5 3 m h wird jedoch der maximale Anlagenvolumenstrom auf 15 9 3 Str nge 5 3 beschr nkt Aus dem maximalen Durchfluss ergibt sich ebenfalls dass bei einer leistungsproportionalen Aufteilung des Gesamtvolumenstroms 3 m h bei 4 g h und 4 5 mh bei 6 g h Ozonleistung keinerlei hydraulische Probleme entstehen s Tabelle 27und Tabelle 28 127 Ergebnisse Tabelle 27 berpr fung der Hydraulik bei leistungsproportionaler Volumenstromaufteilung 4g h Reaktor Einzelstrang 4 g h Reaktor anteilig Ma zahl Einheit ES 3 h 3 000 mm 0 00080 mg mm s oo mm m s Re Reynoldszahl Berechnung A 0 0221 Tabelle 28 berpr fung der Hydraulik bei leistungsproportionaler Volumenstromaufteilung 6g h Reaktor mg mm s Re Reynoldszahl Berechnung A 0 0200 Die leistungsproportionale Volumenstromaufteilung wurde zwar in den Validier
165. derfindung um rein hydraulisch bedingte Abl sungen z B bei den auf Metallpl ttchen angetrockneten Keimen sichtbar zu machen und die Desinfektionsleistung nur an der Wirkung des Ozons festzumachen e Homogenisierungsphasen vor Bestimmung der Wiederfindung mind eine Umwi lzung des Puffervolumens e Probezug eines Aliquots Abstoppen der Ozonwirkung mittels Stoppreagenz oder durch Vortexen Entgasen e Dreifachbestimmung der Keimzahl bei den angetrockneten Keimen jeweils drei Metallpl ttchen e Auftragung der erreichten Keimzahlreduktion gegen die Zeit e Auf Konfidenzintervalle wird aufgrund der fehlenden Sch rfe mikrobiologischer Untersuchungen verzichtet es wird nur der Mittelwert aus den ausz hlbaren Bestimmungen im Diagramm eingetragen e Parallele Ozonmessungen o Z T nicht m glich aufgrund der Suspensionstr bung o Nicht aussagekr ftig wegen hoher Streuung und Abreaktion der Hydroxylradikale und des Ozons gt Bezug der Desinfektionswirkung auf die ins Medium eingebrachte Ladung Als erste Versuchsreihe wird die Abt tungsrate der Validierungskeime unter definierten Versuchsbedingungen in einem Suspensionstest s 3 3 8 und Abbildung 110 eruiert Nach der Einbringung der h chstm glichen Keimzahl in die Suspension innerhalb von 60 Minuten Proben zu verschiedenen Zeitpunkten 1 3 5 10 15 30 und 60 Minuten meist 5 Zeitpunkte gezogen und in einer Verd nnungsreihe die Keimzahl bestimmt 150 Ergebnisse
166. des Reaktors bestand aus Edelstahl was die elektrische Isolierung und die Abdichtung der Stromdurchf hrungen gr n ber Stopfbuchsen gelb notwendig machte die aufgrund der aufw ndigen Geometrie hochpreisig waren Weiter konnte eine sog Wasserstoffverspr dung beobachtet werden Diese Form der Bauteilschw chung wird durch lange Wasserstoffverweilzeiten in Verbindung mit hohen Wasserstoffkonzentrationen im Fluid oder auch gasf rmigen Wasserstoff hervorgerufen Die Ursachen daf r lagen an der konstruktiv bedingten ung nstigen Gasabf hrung Gas konnte sich im Bereich bergang Stopfbuchse Stromfahne sammeln Die Leistungsf higkeit dieser Elektrolysezelle blieb ebenfalls hinter den urspr nglichen Erwartungen zur ck 59 Material und Methoden Rechteckreaktor 8 iin PVDF Deckel Abbildung 22 Rechteckreaktor zweite Reaktorgeneration Im Vergleich zur Vorserie wurde der Elektrodenstack bei der folgenden Rechteckvariante s Abbildung 22 im Geh use durch seitliche F hrungselemente fixiert Eigenschwingungen konnten dadurch ann hernd komplett unterbunden werden Der Geh usedeckel besteht bei dieser zweiten Serie aus PVDF was die Abdichtung der Stromfahnen mittels einfacher und kosteng nstiger Dichtungen aus EPDM erm glichte Die Gasabfuhr wurde durch senkrechte Installation gew hrleistet Die Anordnung des Elektrodenpaketes im Reaktorgeh use ist durch die Fixierung nun in x und y Richtung definiert und macht
167. e wobei der Druck zwar augenscheinlich einen Einfluss auf die Stromausbeute hat der sich jedoch wider Erwarten immer im Bereich von lt 5 des Absolutwerts einpendelt 4 1 5 Zyklische Systeme auf Laborebene Als Vorbereitung f r die verfahrenstechnischen Versuche mit der Demonstrationsanlage s 4 4 und die mikrobiologischen Versuche wird die mehrmalige Elektrodenwirkung also der zyklische Ozonaufbau gezielt auf Laborebene validiert Dies kann Anhaltspunkte ber sp ter zu erwartende Konzentrationen bei der realen Tankdesinfektion geben Ebenso wird hierdurch der Einfluss der wiederkehrenden Elektrolyse via BDD Elektroden charakterisiert Wie bereits bei den Halbwertszeitversuchen wird dieser zyklische Ozonaufbau bei diversen Volumenstr men und Stromst rken mit der Laboranlage berpr ft Mittels Pufferbeh lter mit Leitungsvolumen ca 2 1 und den Konstanten Stromst rke in Abbildung 42 4 0 Ampere und Volumenstrom 4 0 I min wird die Ozonkonzentration isotherm bei 17 C ber eine desinfektionsrelevante Zeitspanne i d R 40 Minuten auf einen H chstwert gebracht um dann nach dem Ausschalten der Elektrode den blicherweise exponentiellen Ozonabbau sichtbar zu machen Ein Teil dieser Versuche wird f r die Ermittlung der Halbwertszeiten s 4 1 1 verwendet 93 Ergebnisse Zyklischer Ozonauf und abbau bei konstanter Stromdichte Temperatur 17 C Stromst rke 4 0 Ampere Volumenstrom 4 0 I min Leitf higkeit
168. e Entladung ergeben Ein spezifischer Energieaufwand von 9 kWh kg allein f r die Ozonerzeugung ist blich dazu kommen noch die Gasaufbereitung und die Verluste bei der Einspeisung des Gases Leitzke 2003 Des Weiteren gibt es nur sehr ineffiziente Wege das Gasgemisch in L sung zu bringen wie z B Wasserstrahlpumpen Neben der Entstehung diverser Nebenprodukte bei der L sung in Wasser Chlorat Bromat THM s k nnen bereits bei der Ozonerzeugung Stickoxide und deren komplement re S uren entstehen die ebenfalls eine toxische Wirkung haben k nnen Bei gasf rmigem Ozon vor allem hoher Konzentration ist auch immer zu beachten dass jegliche Systemundichtigkeit sofort detektiert werden muss um Personensch den zu vermeiden Die erforderliche Messtechnik verteuert die Anlagentechnik nochmals Leitzke 2003 Die chemische Erzeugung von Ozon kann z B durch die Oxidation von feuchtem Phosphor an Luft umgesetzt werden Auch m glich sind die Verwendung von Fluor und Wasser oder Wasserstoffperoxid Wasser und Schwefels ure Je nach Verfahren kommt es zur Bildung verschiedenster Nebenprodukte haupts chlich der jeweiligen mineralischen S uren oder anderer Oxidationsstufen Heim et al 2011 Trotz des einfachen Verfahrens wird die chemische Ozonerzeugung gerade wegen der gef hrlichen Handhabung der geringen Ausbeuten und den daraus resultierenden hohen Kosten kaum genutzt Heim et al 2011 Eine weitere Herstellungsmethode ist die therm
169. e K vette gesp lt wird Die Fl ssigkeit wird dadurch durch den Wattertupfer hindurchgedr ckt und l st die Verschmutzung anteilig ab das vollst ndige Freisetzen der Probenreste erfolgt durch ca 10 sek ndiges R hren und nachfolgendem Ausdr cken des Wattertupfers an der K vettenwandung Danach kann die Biolumineszenz im Luminometer gemessen werden Das Rinswasser wird direkt in die K vette gegeben und sowohl ein Extraktions als auch ein Biolumineszenzreagenz zugegeben bevor die Messung begonnen werden kann Anwendung findet der Oberfl chentest bei der Kontrolle der Verkeimung auf den Tankinnenoberfl chen die Kontrolle des Rinswassers fand als Standardverfahren zur berpr fung der mikrobiologischen Beschaffenheit des Systems und bei der Erstellung einer Desinfektionsgrenze Einsatz Ung nstigerweise ist keine direkte Zuordnung von Gesamtkeimzahl pro Volumen oder Fl cheneinheit im Verh ltnis zu den Leuchteinheiten m glich aber durch einen Abgleich mit der Standardmikrobiologie s 4 4 3 l sst sich gem DIN 10516 eine Korrelation erstellen Der eindeutige Vorteil dieser Messmethode ist die Lieferung eines Messergebnisses innerhalb von wenigen Minuten Deutsches Institut f r Normung e V DIN 2009 Macherey Nagel GmbH 2009 Macherey Nagel GmbH 2009 3 3 7 Optische Untersuchungen Als Bewertungskriterien f r die optische Untersuchung der Materialproben wurden folgende Kriterien gew hlt e Beschaffenheit der Oberfl che
170. e oben dargestellte Radikalkette initiieren und den Abbau dadurch forcieren Andererseits besteht wie in 2 7 beschrieben auch die M glichkeit dass bestimmte organische Radikale keine weitere Aktivierung bewirken und somit die Ausgangsstoffe Hydrogencarbonat und Carbonationen als Radikalf nger wirken Staehlin et al 1985 Als weiterer Grund f r den wirklichen Abbau von Ozonmolek len steht noch die Ozonolyse nach Criegee zu Buche bei der nach dem elektrophilen Angriff zum zirkul ren Prim rozonid durch Zykloreversion und addition ein Sekund rozonid entsteht das wiederum in zwei Carbonyle zerf llt Criegee 1975 Zudem ist es m glich Ozon durch die Einwirkung von UV Licht bei verschiedenen Wellenl ngen abzubauen ber 320 nm zerf llt das Ozonmolek l zu einem Sauerstoffmolek l und einem Sauerstoffatom im Grundzustand Darunter entsteht ein angeregtes Sauerstoffatom das in Wasser zu zwei Hydroxylradikalen weiterreagiert was einen sog AOP advanced oxidation process darstellt Die Entstehung von Hydroxylradikalen beobachtet man auch bei Kombinationsprozessen mit Ultraschall und Wasserstoffperoxid Mit all diesen Verfahren geht eine deutliche Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit einher da das Hydoxylradikal mit einem Oxidationspotential von 2 8 Volt nochmals deutlich effektiver aber jedoch aufgrund seiner niedrigen Lebensdauer r um und zeitlich begrenzt wirkt Weiteres hierzu ist in 2 4 3 aufgelistet Horn 2009 Grunds
171. ebnisse Definierte Str mungslenkung Im n chsten Schritt wird die Auswirkung einer gezielten Str mungslenkung in verschiedenen Experimenten ermittelt Eine Extraktion verschiedener Zust nde und deren Vergleich l sst die Komprimierung der Daten auf die wichtigsten Diagramme zu Als Variationsparameter die einfache die doppelte im 90 Winkel doppelt parallel oder doppelt frontal und die vierfache Anstr mung zur Verf gung PVC Reaktor Verschiedene Str mungslenkungen Temperatur ca 13 C Volumenstrom 5 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm y 0 045x 0 654 R 0 998 y 0 044x 0 565 R 0 999 0 042 0 896 R 0 998 y 0 0407 0 7618 R 0 999 ZS 3 2 N 60 Strom I frontal doppelt parallel doppelt 90 Abbildung 82 Verschiedene Str mungslenkungen In obiger Abbildung 82 ist eindeutig ersichtlich dass die 90 Anstr mung gemeinsam mit der vierfachen Anstr mung deutliche Vorteile gegen ber der doppelten Anstr mung frontal oder parallel hat Es handelt sich um eine um ber 10 h here Ozonleistung ber den gesamten Strombereich hinweg Verifizierung des Validierungsergebnisses Die folgenden Versuche werden alle mit Standard Elektrodenabstand und 90 Anstr mung durchgef hrt Durch einen Leistungstest an dieser Optimalkonfiguration des PVC Reaktors s Abbildung 83 soll nochmals die maximale
172. echnung auf KBE cm erleichtert s Abbildung 107 146 Ergebnisse Abbildung 107 Beschickte Metallpl ttchen f r die berstr mungsversuche Zus tzlich sind Oberfl chenrauhigkeitsmessungen von den am Lehrstuhl f r mikrobielle kologie eingesetzten Pl ttchen notwendig um die Praxiskonformit t der Untersuchungen zu best tigen Die bliche in der Industrie eingesetzte Oberfl cheng te hinsichtlich der Rauigkeit ist Ra 0 8 was eine maximale mittlere Oberfl chenrauigkeit von 0 8 um bedeutet und bei der Oberfl cheng te walzblank 3c im Regelfall eingehalten wird Unter der Pr misse einer mittleren Oberfl chenrauigkeit von lt 0 8 um kann die Messung der Pl ttchen in der Oberfl cheng te walzblank 3c als Best tigung gewertet werden s Abbildung 108 Im Durchschnitt erzielt die Musterwandung die geforderte Oberfl cheng te was die Realit tsn he der Versuche unter Beweis stellt Die Messungen wurden jeweils 10fach pro Pl ttchen durchgef hrt gemittelt und mit den zugeh rigen Konfidenzintervallen versehen Die Mittelung von R ber die gesamte Stichprobe der 20 Pl ttchen s durchgezogene horizontale Linien dient der bersichtlichkeit in Bezug auf die Forderung einer maximalen Oberfl chenrauigkeit 147 Ergebnisse Oberfl chenrauhigkeitsmessung Pl ttchen f r berstr mungsversuche 1 00 8 E EI EI x ei 0 40 Rz 0 30 en Rma
173. eh ltnisses gleichbedeutend mit Wegl nge des Lichts im Fluid m g molarer dekadischer Extinktionskoeffizient bei einer gewissen Wellenl nge l mol T Transmission SWAN Analytics 2006 Dieses Gesetz ist die Grundlage f r alle spektralphotometrischen Messungen Die definierte Entf rbung des Dinatriumsalzes der Indigo 5 5 disulfons ure s Abbildung 24 als indirekte Messung dient als Referenz zur Ozonbestimmung Die Detektionsmethode lehnt sich an die DIN ISO 8036 1 an und wurde bereits 1988 vom Komitee f r Standardmethoden zur berpr fung von Wasser und Abwasser zugelassen Condias GmbH 2006 Kim et al 1999 Die Eigenschaften des Indigocarminmolek ls sind zusammengefasst Grosjean et al 1988 Condias GmbH 2006 Bader et al 1981 e Chemisch 5 5 Indogodisulfons ure Dinatriumsalz e haupts chlich als blauer Farbstoff f r Textilien und Lebensmittel E 132 verwendet e Summenformel Ci sHsN2Na208S2 e Molares Gewicht 466 g mol e Tiefblaue kristalline Struktur e WVasserl slichkeit bis 10 g l e Absorptionsmaximum Imax 609 nm e Molarer dekadischer Extinktionskoeffizient 20000 I mol e St chiometrisches Umsetzungsverh ltnis Ozon Indigocarmin 1 1 pH lt 4 63 Material und Methoden Indigocarmin wird bei der Ozonkonzentrationsbestimmung wegen der ozonspezifischen Oxidierbarkeit und aufgrund seiner gesundheitlichen Unbedenklichkeit als Lebensmittelfarbstoff verwendet R
174. eigt und erst nach ca 11 Minuten das finale Niveau erreicht nderungsraten Elastizit t In Abbildung 126 sind f r verschiedene Stromst rken 160 240 320 A das Verhalten der Sensoren bei den Einschalt und Abschaltvorg ngen dargestellt Um die nderungsraten d h die Geschwindigkeit der Sensoren bei der Signalisierung von Konzentrations nderungen vergleichen zu k nnen werden anhand dieses Versuchs die Maximalsteigungen der Graphen berechnet Die maximalen Anstiege und Abf lle sind in Tabelle 36 aufgelistet werden zwischen zwei Messpunkten errechnet und haben bei der Stromvorgabe von 320 A die h chsten Absolutwerte Als erster Messpunkt wird immer der Reaktionspunkt des Sensors also die erste merkliche Steigung gew hlt Tr gheitsverhalten Ein und Ausschaltzyklen Stromvorgaben 160 240 320 A Temperatur 19 20 C Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit 510 uS cm er Lass 3204 1200 1100 1000 900 Ozonkonzentration ppb d e e de em Le zl zl zm e zm Je sl zm bom d Le wm Je wm Le el wm de wm Je ol wm oi wm ben ol wm ob ss U U 1 U U 1 Zeit min Orbisphere SWAN Mettler Toledo Elektrodenzuschaltung Elektrodenabschaltung Abbildung 126 Tr gheitsverhalten Ein und Ausschaltzyklen Tabelle 36 Tr gheit Maximale Konzentrations nderungsraten Sensor Parameter Max Anstieg Max Abfall Mettler 17
175. eim Verlag Chemie 1981 S 400 408 US EPA 2011 Alternative Disinfectants and Oxidants Guidance Manual Chapter 5 Potassium Permanganate Guidance Manual Hrsg OW Office of Ground Water and Drinking Water US EPA 18 Mai 2011 Vatistas N et al 2006 Chapter 21 Oxidant Production on Bdd Anodes and Advanced Oxidation Process Diamond Electrochemistry 2006 VDMA 2002 Merkblatt Pr fung von Aseptikanlagen mit Packmittelentkeimungsvorrichtungen auf deren Wirkungsgrad Frankfurt a M s n 2002 VDMA 2007 Merkblatt Riboflavin f r keimarme oder sterile Verfahrenstechniken Fluoreszenztest zur Pr fung der Reinigbarkeit f r Lebensmittel Aseptik Pharmazie und Chemie Dezember 2007 Vogelpohl H und Mitarbeiter 2006 Skriptum Brauereianlagen Skriptum Freising Weihenstephan Lehrstuhl f r Verpackungstechnik 2006 Wagner N 2010 Wirtschaftliche CIP Reinigung www kem de Online 2010 Zitat vom 13 Februar 2012 http kem de messtechnik article 5829525 25657785 wirtschaftliche CIP reinigung art_co_INSTANCE_0000 maximized Wallh u er K H 1995 Praxis der Sterilisation Desinfektion Konservierung 5 Stuttgart Georg Thieme Verlag 1995 S 196 ff Wallh u er K H 1995 Praxis der Sterilisation Desinfektion Konservierung 5 Stuttgart Georg Thieme Verlag 1995 S 388 ff Literaturverzeichnis Wallh u er K H 1995 Praxis der Sterilisation Desinfektion Konser
176. eiten ben tigt werden Das Sumpfvolumen wiederum bleibt dennoch hnlich Wahrscheinlich muss in der Realit t ein Kompromiss aus diesen beiden Faktoren und zus tzlich dem Tankvolumen und seiner H he gefunden werden die ebenfalls zum Desinfektionsergebnis beitragen Versuche im Feld k nnen weitere Informationen ber diese Auslegungstheorie bringen In Hinsicht auf die erzielten Resultate konnten die vorliegenden Versuche best tigen dass die Desinfektion von Brauereianlagen mittels diamantbeschichteten Elektroden m glich ist Optimierungsm glichkeiten bestehen jedoch z B noch in der Serienfertigung der Anlage Durch die Kompaktierung des Schaltschranks der Sensorik und der Reaktorperipherie l sst sich das entwickelte Systems weiter verbessern Zudem muss noch die neueste Reaktorgeneration implementiert werden die eine gravierende Performanceverbesserung verspricht s oben 6 2 Auslegungsgrundlagen f r den langfristigen Elektrodenstackbetrieb und Verfahren zur Stabilit tsgew hrleistung Die Ergebnisse haben gezeigt dass eine Verkalkung der BDD Elektroden beim Betrieb in harten W ssern kaum zu vermeiden ist Der Kalk der sich zwischen den BDD Elektroden und der Nafion Membran bildet kann weder durch Umpolungen noch durch S uren vollst ndig gel st werden Langfristig f hrt diese Verkalkung der Elektrodenstacks dazu dass das Modul 202 Fazit nur noch ber eine geringe Ozonleistung verf gt Zudem steigt mittelfri
177. eitung des Mediums mit Risiken verbunden In welchem Umfang ist eine Demontage bzw Recycling des F llmaterials m glich Ist ein Eintritt des F llmediums in den Prozess als kritisch anzusehen bei Bewertung lt 3 folgt Ausschluss Ung nstige Materialeigenschaften bei blichen Betriebstemperaturen bei Bewertung lt 3 folgt Ausschluss F r einen wartungsarmen Betrieb sind Alterung Dauerbest ndigkeit wichtig Preis f r Druckraumf llung untergeordnet da F llung dauerhaft im Reaktor verbleiben soll Schwindung nach Bef llung unzul ssig da Kraftweiterleitung Reaktor Geh use nicht gew hrleistet Hohe Bewertung f r Wartungskriterium da Personalaufwand Folgekosten Hohe Gewichtung da Druckraum ffnung f r z hviskose F llung nicht ideal d h hoher Aufwand Hohe Gewichtung da Betriebsfestigkeit gew rleistet sein muss Niedrige Wertung da entsprechende Schutzma nahmen erfolgen k nnen Relativ niedrige Bewertung da Entsorgung einmaliges seltenes Ereignis Ausschlusskriterium da St rungen des Betriebs m glich Evtl Schadenersatzforderungen Ausschlusskriterium wegen m glichem Anlagenausfall z B bei Erreichen des Erstarrungspunktes Ausdehnung Punkteverteilungssystem Die Punkte dienen zur direkten vergleichbaren Bewertung der einzelnen Kriterien unter Ber cksichtigung der Faktoren Um eine feine Untergliederung zu erreichen wurde eine Punktestaffelung von 0 10 Punkten herangezogen 0 Bewertungspunkte 1 Bewertungsp
178. ell parallel betrieben werden k nnen resultiert eine gleichzeitig zu beschichtende Fl che von 1 5 m was gegen ber Marktbegleitern ein noch herausragenderes Merkmal ist als die 0 5 m Einzelmodulleistung aus der bereits der Anlagenname CVDiamondXXL entstand Die K hlung der Reaktoren gegen Ende der Behandlung und zur Vergleichm igung und Einstellung der Temperatur wird ber offene Gegenstromk hlt rme realisiert hier verdunstet permanent ein Teil des Umlaufvolumenstroms und k hlt den sekund ren Kreislauf der wiederum Energie in einem W rmetausch aus dem Prim rsystem aufnehmen kann Die immensen Stromaufnahmen sind mit einer gewissen Unsicherheit verbunden bei Stromausf llen im Sekundenbereich ist es der SPS gesteuerten Anlage m glich die Energieversorgung aufrechtzuerhalten bei l ngerfristigen Energieschwankungen oder vakanzen muss der Prozess unterbrochen werden das Substrat kann nach Begutachtung jedoch neu beschichtet werden insofern die Schichtdicke und beschaffenheit noch nicht ausreichend ist damit beginnt der Prozess der Anz chtung von Neuem Die Technologie stellt das Ergebnis der damaligen Forschungsarbeit beim Fraunhofer IST Braunschweig dar und wurde bei der Ausgr ndung von der CONDIAS GmbH bernommen Endfertigung Stackbau Die Endfertigung der sog Stacks wird je nach Bedarf direkt nach der Anz chtung oder auch nach beliebiger Lagerung der fertig beschichteten Einzelplatten durchgef hrt D
179. elle Anpassung der hinterlegten Standard PID Regler Das System ist ber Passw rter gesch tzt Eingabe s Abbildung Anhang 10 die jeweils gewissen Berechtigungen entsprechen Eine Service Ebene entspricht der reinen Kontrollfunktion f r z B Angestellte einer Brauerei Parameter k nnen nur abgelesen werden Die Master Ebene ist zum Betrieb der Anlage erforderlich hierin k nnen die erforderlichen Parameter eingestellt werden Die Administratoren Ebene hingegen dient zur Erstellung neuer Benutzer und zur Ver nderung absolut entscheidender Prozessparameter 133 Ergebnisse wie z der Umpolzeit Benutzer dieser Berechtigungsebene haben ebenfalls Vorrang bei steuerungsrelevanten Eingriffen z bei einer Remote Steuerungsm glichkeit der Anlage Anwahl einer Betriebsart Hand ein erm glicht die freie Steuerung der Anlage Automatik ein bzw Desinfektion ein die automatische Steuerung in der Handebene sind die meisten Schutzfunktionen au er Kraft gesetzt weswegen eine permanente Betreuung w hrend des Handbetriebs erforderlich ist Nach der Parametrierung der Anlage erfolgt die Eingabe des erw nschten Drucks oder Volumenstroms Eingabefenster Einstellung Pumpe P001 s Abbildung Anhang 7 f r den Batch Betrieb oder die Einstellung des Wasservolumenstroms durch ffnen des Zulaufwasserventils bei Durchlaufbetrieb Die Feinjustierung kann durch die Einstellung der Einzelvolumenstr me mittels der R nde
180. ellen In Abbildung 87 sind die Zonen minderer Str mungsgeschwindigkeit gelb die h herer rot und die mittlerer orange dargestellt Augenscheinlich sind die u eren Zonen aufgrund der relativ engen Wasserzul ufe benachteiligt w hrend gerade in den Zentralbereichen der Elektrode vergleichsweise hohe Str mungsgeschwindigkeiten vorherrschen Am deutlichsten wird das Wasser im u ersten Zwischenraum des Stacks verlangsamt Diese Beobachtung best tigt sich bei Volumenstr omen von 1 bis 10 mh und allen m glichen Variationen des Elektrodenabstandes der Anstr mung und der Str mungslenkung weshalb dem Ph nomen in der nachfolgenden Konstruktion Rechnung getragen wird 121 Ergebnisse CCRN ERLERNEN r DOG EE Abbildung 87 Darstellung der unterschiedlichen Str mungszonen im optimierten PVC Reaktor Konstruktion der finalen Reaktorstudie Aus den oben eruierten Zusammenh ngen resultiert eine finale Reaktorkonfiguration die in Abbildung 88 zusammengefasst sind Alle im Vergleich zur ersten Reaktorstudie eingef hrten Neuerungen sind ausf hrlich in der Diskussion erl utert w 110 e 14 4 ones Abbildung 88 Finale Reaktorkonfiguration 122 Ergebnisse 4 2 4 Eruierung einer applikationsorientierten Druckraumf llung F r die bereits unter 4 2 2 beschriebene Druckr
181. elt nach 13 Wochen Betriebsphase nur noch bei etwa 0 8 g h s Abbildung 45 96 Ergebnisse Elektrodenstackperformance ber die Betriebsdauer Volumenstrom 2 m h Temperatur 9 C Leitf higkeit ca 260 uS cm Anlage ca 260 uS cm Stack neu y 21 345x 0 4583 R 0 9666 5 2 5 N Anlage 260 uS cm 3 Monate Laufzeit y 9 7515 0 2163 R 0 9528 0 06 0 08 Stromdichte A cm Anlage neu Anlage B 3 Monate Abbildung 45 Elektrodenstackperformance bei 2 m h Anlage 4 1 7 Entkalkungsroutinen und erfolge Die folgenden Versuche wurden in einem gemeinsamen Projekt mit der Arbeitsgruppe Elektrochemie des Karl Winnacker Instituts der Dechema e V durchgef hrt Die Expertise der Raster Elektronen Mikroskop Aufnahmen und der Atom Absorptions Spektroskopie liegt allein beim Personal des Karl Winnacker Instituts s mtliche Ergebnisse sind auch bereits im Abschlussbericht zum Projekt Entwicklung eines elektrochemischen Moduls zur kombinierten Wasserdesinfektion und Kalkpr vention IGF Nr 15506N aufgef hrt Festlegung einer Polarisationsroutine Der bereits in der Praxis festgestellte Einfluss der Umpolungen auf die Verkalkungsintensit t gibt Grund zur Annahme dass die Ozonproduktion ebenfalls innerhalb eines Polarisationszyklus abf llt Dieser Einfluss wird anhand von Leistungstests mit einem 1g h Elektrod
182. elten sind folgende europ ische Normen zu nennen s Tabelle 1 Goroncy Bermes 2010 Tabelle 1 Ausgew hlte europ ische Normen f r Desinfektionsmittel Goroncy Bermes 2010 Europ ische Norm Testorganismen Geforderte Reduktion EN 1040 bakterizide Staphylococcus aureus 5 0 log Stufen Wirksamkeit Pseudomonas aeruginosa EN 1275 funeizi Candida albicans 275 fungizide 4 0 log Stufen Wirksamkeit Aspergillus niger EN 14347 id Bacillus subtilis EE 4 0 log Stufen Wirksamkeit Bacillus cereus Diese Normen sind Grundlage f r die meisten Desinfektionsversuche auf Laborebene die in dieser Arbeit dargestellt sind Jedoch spielen neben der Wirksamkeit und Effizienz von Desinfektionsmitteln noch andere Faktoren eine entscheidende Rolle Unter Anderem sind des die Lagereigenschaften des jeweiligen Desinfektands die Neigung zur Produktsch digung die entstehenden Kosten pro Charge bzw pro Jahr die Materialvertr glichkeit und was immer mehr in den Vordergrund gestellt wird die Beeintr chtigung von Mensch und Natur Anwendung chemischer Desinfektionsmittel Unter Chemischer Desinfektion versteht man die Abt tung oder Inaktivierung von Mikroorganismen durch chemische Desinfektionsmittel um damit den Gegenstand auf oder in dem sie sich befinden in einen Zustand zu versetzen dass er nicht mehr infizieren kann bzw vor Verderbnis gesch tzt wird Bodenschatz 2006 Der eigentliche Wirkmechanismus von De
183. en Halbwertszeiten besteht darin dass HWZ sich immer auf den vorangegangen Wert bezieht w hrend HWZ 0 auf Basis des Startwertes ermittelt wurde Beide Werte stellen eine Mittelung von mehreren Einzelwerten dar Halbwertszeiten elektrolytisch generiertes Ozon Temperatur 17 C Volumenstrom 3 I min Leitf higkeit 620 uS cm 20 20 2 60 2 100 2 Stromdichte mA cm2 Abbildung 37 Halbwertszeiten von elektrolytisch generiertem Ozon bei verschiedenen Stromdichten Die Differenzen zwischen den Reihen HWZ und HWZ 0 liegen in Anbetracht der Konfidenzintervalle im Rahmen s Abbildung 37 W hrend die Halbwertszeiten bei niedriger Stromdichte bei ca 29 Minuten liegen ist bei mittlerer ca 27 Minuten und hoher Stromdichte ca 23 Minuten ein deutlicher Abfall festzustellen 89 Ergebnisse 4 1 2 Temperaturabh ngigkeit der Ozonerzeugung Obwohl dem Einfluss der Temperatur in der Anwendung kein oder nur geringer Tribut gezollt werden kann wird dennoch der Einfluss der Temperatur auf die Ozongenerierung selbst berpr ft Dies erm glicht es Extremsituationen absch tzen zu k nnen und gegebenenfalls Ablauf nderungen einzupflegen bevor ein bestehendes Verfahren im Nachhinein komplett neu validiert werden muss Aufgrund der Normierung der Elektrodenstackleistung auf 20 C wurde bei der Temperaturabh ngigkeit der Ozongenerierungseffizi
184. en auch bei den nicht dargestellten Wertepaaren wird die dargestellte Grenze nicht nach links berschritten Praxisversuche Die im Labor gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden bei den Versuchen im Praxisma stab gepr ft Wiederum mit der Demonstrationsanlage wird versucht den 22 m Tank nach einer Beschickung mit Mikroorganismen 20 ml 2 x 10 KBE ml im Bereich des Mannlochs zu desinfizieren Die Position dieser Verunreinigung wird deswegen ausgew hlt da in Abstimmung mit dem Personal des Lehrstuhls f r mikrobielle kologie die Geometrie des Tanks auf eine verminderte Desinfektionsleistung gerade im Bereich der Mannloch ffnung schlie en l sst Der vorher gereinigte Tank wird mit eben erw hnter Keimsuspension Saccharomyces carlsbergensis beimpft die ber Nacht antrocknen kann Am n chsten Tag wird nach einer 2min tigen Durchmischungsphase ohne Elektrolysestrom eine 40min tige Desinfektion durchgef hrt deren Parameter bis auf die Stromst rke 80 200 320 A und die Reinigungsarmatur Spr hkugel bzw Schwallreiniger nicht variiert werden Der Volumenstrom orientiert sich an der Validierung der jeweiligen Reinigungsarmatur 11 bzw 12 m h was auch den Druckverlust bedingt 1 5 bzw 2 7 bar Das Sumpfvolumen ist auf 500 Liter festgelegt die Temperaturen sind aufgrund der unterschiedlichen Bedingungen im G rkeller der Brauerei nur auf einen Bereich von 12 15 C einzugrenzen Alle Versuche werden aus Kostengr nde
185. en um eine konsequente Steigerung der Ozonkonzentration zu bewirken Theoretische Auslegung des Demonstrators allgemeine Dimensionierung Aus den ebenfalls in 4 4 dargestellten mikrobiologischen Vorversuchen auf Laborebene geht eine zu erwartende Ozonexposition f r die Abt tung von 4 log Stufen angetrockneter mg min Mikroorganismen von 5 20 om hervor Geht man davon aus dass sich die Ozonkonzentration w hrend der Desinfektion maximal verdoppelt sollte f r eine erfolgreiche Desinfektion eine Konzentration im einfachen Durchlauf von Co 0 5 mg l nicht unterschritten werden Bei Verwendung der 1 Reaktorstudie muss im schlechtesten Fall von einer Elektrodeneffizienz von ca 50 ausgegangen werden vor allem bei einem zu geringen Volumenstrom f r die Einzelelektroden Wie bereits erw hnt befindet sich der Desinfektionsvolumenstrom bei beiden zur Validierung verwendeten Tanks bei 12 m h 12m 0 5 EE Gleichung 102 Aus Gleichung 102 geht hervor dass bei einem Desinfektionsvolumenstrom von 12 m h und einer Elektrodeneffizienz von 50 eine Gesamtanlagen Nominalleistung von mindestens 12 g h Ozon erforderlich ist F r einen gr eren Spielraum werden 16 g h Nominalleistung verbaut 4 3 2 Hydraulische Auslegung und Einhaltung maschinenbautechnischer Grunds tze Zur Einhaltung der bergeordneten Richtlinien zum Bau wasserf rdernder Anlagen m ssen jedoch vor Baubeginn diverse Berechnungen get tigt werden S
186. en der CRN 15 3 Grundfos AG 2010 Medientemperatur K Drehzahl rpm Nennf rderstrom m h Nennf rderh he m PN16 253 15 bis 393 15 e Ent und Bel fter Schwimmerentl fter Mankenberg 1 12 e Elektrolysezelle 2 x max 120 A 1 80 A e 3x Gleichstromquelle plating electronics Power Station pe 3000 4 3x WNechsel D senarmatur e 4xSchauglasarmatur 3x DN 25 1x DN 50 87 Material und Methoden e Datenschreiber Endress Hauser Ecograph RSG30 e Multiparameter Auswerteeinheit Mettler Toledo 770 MAX e Auswertungseinheit Orbisphere Hach Ultra 410 e Auswertungseinheit SWAN SWAN Analytics AMI Codes 11 e Diverse Probenahmeventile e PTFE Verschlauchung e Folgende Online Sensorik zur permanenten Parameter berwachung Leitf higkeitssonde Mettler Toledo Thornton 230 221 2x pH Sonde Mettler Toledo Thornton InPro 4250 in Punkt 3 3 2 genauer erl utert Druck Endress Hauser Ceraphant T Durchflussmessungen H250 Krohne 1 InPro4250 120 Pt1000 pH Einstabmesskette mit InFit761 Armatur Temperatur Endress Hauser Thermopbant T TTR Durchflussmessung Negele FKS 141 Die komplette Elektrik und Elektronik Spannungsversorgung Steuerung Datenschreiber etc befindet sich auf einem separaten fahrbaren Gestell und wird mittels Harting Steckverbindungen mit der Anlage verbunden Die Versuchsanl
187. en durch eine optimale Beschaffenheit des Bauteils minimiert z B glatte Oberfl chen TU Darmstadt 2008 E Ay Ta e E 01 2 Gleichung 96 2 Mit v2 Str mungsgeschwindigkeit in der Einschn rung v3 Str mungsgeschwindigkeit nach der Einschn rung A2 Querschnitt in der Einschn rung Querschnitt nach der Einschn rung a Kontraktionsziffer Der Druckverlust in einer Einschn rung ergibt sich aus den Verh ltnissen der Querschnitte in und nach der verj ngten Stelle TU Darmstadt 2008 p 2 Ap v v Gleichung 97 Mit v Str mungsgeschwindigkeit vor dem Carnot Sto v2 Str mungsgeschwindigkeit nach dem Carnot Sto Beim Carnot Sto ist gem dem Impulserhaltungssatz allein die quadrierte Differenz der Str mungsgeschwindigkeiten entscheidend f r den sich ergebenden Druckverlust TU Darmstadt 2008 Durch den Einsatz dieses Tabellenwerks ist es sowohl m glich Rohrleitungsdimensionen bei der Tolerierung gewisser Druckverluste zu bestimmen als auch die Versuche zur Optimierung der Hydraulik zu bewerten 78 Material und Methoden 3 5 Statistische Absicherung der Messwerte Um die gewonnenen Daten beurteilen zu k nnen sind die Analysenwerte und die Messwerte der Sensoren und Messger te statistisch abgesichert Grunds tzlich wurden bei allen Messungen Mehrfachbestimmungen durchgef hrt um der Forderung nach einer signifikanten Stichprobe Gen ge zu leisten Anhand des Mittelwer
188. ende Berechnungsformel kann bereits im Vorhinein eine Einsch tzung des Gef hrdungspotentials erm glichen Sohn et al 2004 BrO z20 c 1 55 10 Doc pH O3 Br t Gleichung 13 28 Theoretische Grundlagen Mit 1 1 lt DOC mg l lt 8 4 70 lt ug l lt 440 1 1 lt mg l lt 10 0 6 5 lt pH lt 8 5 1 lt t min lt 120 Temperaturabh ngigkeit 803 BrO3 z20c 1 035 Gleichung 14 Eine pH Absenkung bei der Ozonzugabe kann die Bromatbildung unterdr cken ebenso eine drastische pH Anhebung was jedoch aufgrund der ung nstigen Auswirkung auf die Halbwertszeit nur selten Einsatz findet Rothe 2009 Die Entstehung von Chlorat folgt hnlichen Parametern Chlorat wird jedoch bisher z B in der Trinkwasserverordnung noch nicht mit einer Obergrenze versehen Richtwert gem WHO 0 7 mg l Zudem kann Chlorat bei einer Ozonierung nur dann in relevant hohen Konzentrationen entstehen wenn eine Vorbehandlung mit Chlorverbindungen erfolgte Der Grenzwert f r Sulfat 200 mg l das ebenfalls durch Oxidation des komplement ren Sulfids entsteht ist bei der Anwendung von Ozon ebenfalls unkritisch beim Nitrat kann es bei der stillen Entladung unter Verwendung von Luft und einer ungen genden Speisegastrocknung zu einer Konkurrenzreaktion zur Ozonbildung kommen Die entstehenden Stickoxide tauchen im Wasser gel st als Nitrat auf was zu einer berschreitung des Su
189. endete statistische Absicherungen und Berechnungen Grote et al 2007 Bezeichnung Versuch P n t Vertrauensbereiche Einheit Indigocarminmessungen 80 3 1 886 1 089 s lt u lt x 1 089 Halbwertszeit 95 7 2 447 0 894 s lt u lt x 0 894 5 bestimmungen relative light units 75 2 2 414 x 1 707 s lt u lt x 1 707 s Verh ltnis 95 30 2 045 0 373 s lt u lt x 0 373 s Zeitverz gerungen 95 7 2 447 x 0 894 s lt u lt x 0 894 s W gungen Materialtest 99 10 3 250 x 1 027 s lt u lt x 1 027 s 79 Material und Methoden Oberfl chenrauigkeit 9 Te S lt USK Materialtest Ra Rz Rma 99 10 3 250 x 1027 s lt u lt sx 1027 s Delta Ferrit Bestimmungen o Se s lt usx Mat rialt st 99 10 3 250 x 1 027 s lt u lt x 1 027 5 3 6 Versuchs und Anlagenaufbau 3 6 1 Laboranlage F r die Laborversuche Kinetik Hydraulik und Mikrobiologie wurde in Ermangelung einer eigenen Laboranlage auf eine Leihanlage der Firma CONDIAS GmbH zur ckgegriffen Der Aufbau dieser Anlage ist in Abbildung 30 schematisch und in Abbildung 31 dargestellt e Volumenstromf rderung mittels selbstansaugender Peripheralradpumpe PY 2071 Speck Pumpen e Georg Fischer 515 Rotor X Schaufelrad Durchflusssensor e Siemens SPS S300 e Siemens TP 177b e Plating Gleichstromquelle PE 3000 1 ma
190. enstack an der halbtechnischen Versuchsanlage bei Umpolintervallen von 4 15 und 30 Minuten berpr ft Die Wasserqualit t bel uft sich auf 38 48 uS cm Druck 0 5 Temperatur 15 C und Volumenstrom werden ebenfalls normiert 97 Ergebnisse Ozonleistung bei verschiedenen Umpolzeiten Temperatur 14 8 C Volumenstrom 2 m h Druck 0 5 bar y 0 042x 0 1487 R 0 9992 0 0474x 0 2763 R 0 995 y 0 0444x 0 2327 R 0 9893 2 D 2 EI E N 15 Stromst rke 4 Minuten 15 Minuten 30 Minuten Abbildung 46 Ozonleistung bei verschiedenen Umpolzeiten Mangold et al 2011 Die Ozonleistung liegt beim standardisierten Leistungstest bei kurzen Umpolintervallen 4 Minuten h her ist als bei l ngeren Umpolintervallen Die bei Umpolintervallen von 15 und 30 Minuten ermittelten Ozonleistungen sind nahezu identisch Zur Verifizierung der Vermutung einer Kalkabscheidung vor allem von Calciumverbindungen werden Versuche den Umpolintervallen 15 Minuten und 30 Minuten durchgef hrt Die Fixierung auf Calciumverbindungen ergibt sich aus den Voruntersuchungen im K hlturmsektor in denen berwiegend Calcium Calcit und ann hernd kein Magnesium in den Kalkagglomeraten festgestellt werden konnte s Abbildung 17 und Abbildung 18 Becker 2007 Becker et al 2008 Mangold et al 2011 K rzere Umpolintervalle sollten die Verkalkung der
191. enz die Ozonleistung gew hlt Diese gibt die Abh ngigkeit der Generierungseffizienz an ohne sich auf die Herstellerangaben zu beziehen und diesen ungerecht zu werden Zur Versuchsdurchf hrung wird wiederum die Laboranlage verwendet die mit vortemperiertem Leitungswasser verwendet wird eine indirekte K hlung Heizung mit einer Heizwendel in Glykol im Durchlauf gespeist wird Bei einem Volumenstrom von 4 l min und einer Stromst rke von 5 0 A definierte Maximalleistung werden 4 Temperaturstufen 9 1 16 5 21 8 30 6 C gew hlt und die Ozonleistung gegen die Temperatur aufgetragen Ozonleistung g h in Abh ngigkeit von der Temperatur variable Temperatur Volumenstrom 4 l min Stromst rke 5 0 A Leitf higkeit ca 620 uS cm Polynomische Regression y 8 05 2 0 0034x 0 3685 R 0 9995 S E E 2 2 2 E 20 0 Temperatur C Ozonleistung in Abh ngigkeit der Temperatur Poly Ozonleistung in Abh ngigkeit der Temperatur Abbildung 38 Ozonleistung in Abh ngigkeit von der Wassertemperatur Aus den beiden Regressionen der Funktionen in Abbildung 38 geht hervor dass sowohl die polynomische als auch die lineare Variante zu einer sehr guten bereinstimmung von Modell und Realit t f hrt Die Ozonleistung ist grunds tzlich mit steigender Temperatur abfallend 4 1 3 Leitf higkeitsabh ngigkeit der Ozonerzeugung Der Einfluss der Wasserle
192. eordnete Ebene Bezeichnung Visualisierungsfenster Abbildungs Nr Alarme Warnungen Meldefenster Alarm und Warnmeldungen Anhang 5 Meldearchiv Anhang 6 Alarmwerte Strom Spannung Anhang 15 Grenzwerte Pumpe Anhang 16 Service Eingabe Benutzer und Kennwort Anhang 10 Men fenster Service Anhang 9 Fenster Betriebsart Anhang 8 Betriebsstundenz hler Anhang 17 Bedienung Generator Einzel Pop up zur Bedienung der Generatoren Anhang 11 Parameter Generator Anhang 12 Parameters tze Automatik Desinfektion Anhang 13 Eingabefenster Umpolzyklus Anhang 14 Alarmwerte Strom Spannung Anhang 15 Bedienung Pumpe Einstellungsfenster Pumpe Anhang 7 Grenzwerte Pumpe Anhang 16 Vorgehen zur Wahl des Wassermodus Service gt Einstellung Pumpe P001 s Abbildung Anhang 9 gt Ein f r Betrieb im Batch Modus Aus f r Durchlaufbetrieb bzw externe Druckerh hung s Abbildung Anhang 7 Anschluss der Schl uche je nach gew hltem Modus s Abbildung Anhang 2 bei externer Druckerh hung muss der linke Schlauch auf den freien Eingang direkt unter dem Anlagenausgang angeschlossen und die Ventilstellung angepasst werden Vorgehen zur Fixierung eines stabilen Umw lzvolumenstroms s Abbildung Anhang 7 e Regeldruck vorgeben und oder e Regelvolumenstrom vorgeben je nach Bedarf bzw Vorgabe durch die Reinigungsarmatur und oder die vorhandene Installation e Auswahl des priorit ren Parameters Druck oder Volumenstrom e Eventu
193. er eine um 23 h here Leistung und damit bei identischer Laufzeit das gleiche Quantum mehr an Energie als die Spr hkugel Mittels Riboflavintest kann kein signifikanter Unterschied der Reinigungsleistungen festgestellt werden da die Testl sung von beiden Armaturen unter normalen Reinigungsbedingungen ohne Probleme beseitigt werden kann Lediglich bei sehr geringen Volumenstr men 1 4 mh zeigte sich dass bei Einsatz des Schwallreinigers einige Stellen im Tank unerreicht blieben Dieses Ergebnis ist auf den relativ hohen Versorgungsdruck bzw Volumenstrom zur ckzuf hren den der Schwallreiniger ben tigt um alle Stellen im Tank ber die Wurfweite der Armatur zu erreichen Beim Vergleich der Ozoneinbringung stellt sich heraus dass die der Spr hkugel geringf gig effizienter ist als die des Schwallreinigers Mit einer ca 7 8 niedrigeren Einbringungsrate ist aber auch das Ergebnis des Schwallreinigers tragbar Werden die Kosten der Reinigungsarmaturen betrachtet so ist der Schwallreiniger in der Anschaffung der im Versuch verwendete Schwallreiniger kostet das ca 3fache des Anschaffungspreises der Spr hkugel und im Betrieb h herer Leistungsbedarf erheblich teurer als die Spr hkugel F r das Gesamtfazit m ssen jedoch auch noch die Ergebnisse der mikrobiologischen Untersuchungen miteinbezogen werden die eine bergeordnete Rolle bei der finalen Bewertung der Reinigungs und Desinfektionsarmatur spielen Hier geht wieder
194. eren Konzentration die ebenfalls h ufigere Molek lst e bedingt ab Ozon zerf llt bei gem igten Temperaturen zum zweiatomaren Sauerstoff Die Geschwindigkeit h ngt wie erw hnt ab von Konzentration Temperatur und eventuell vorhandenen katalytisch wirkenden Stoffen in diesem Anwendungsfall den ionischen Wasserinhaltsstoffen und organischen Reaktionspartnern Bei Raumtemperatur liegt die Halbwertszeit des Ozons in der Fl ssigphase gel st bei ca 20 Minuten wobei hier die Literaturwerte von 2 bis 40 Minuten reichen Die st rksten Einflussgr en auf die Halbwertszeit des Ozons sind pH und Temperatur Bei 300 C wird die Gesamtzerfallszeit wegen des thermischen Abbaus einheitlich im Sekundenbereich angesiedelt Grunds tzlich gilt auch dass niedrigere pH Werte einen g nstigen Einfluss auf die Halbwertszeit haben Behmel 2010 Kurzmann 1993 Palitzsch et al 2005 Auch organische Inhaltsstoffe in der L sung haben einen Einfluss auf die Halbwertszeit Staehlin et al 1983 In Punkto Wasseraufbereitung ist das st rkste zugelassene Oxidationsmittel in der Anwendung Laut Trinkwasserverordnung darf eine maximale Ozondosis von 10 mg l 23 Theoretische Grundlagen angewandt werden Der Grenzwert nach der Aufbereitung am Verbraucher am POU liegt bei 0 05 mg l Trinkwasserverordnung 2001 2006 Im Vergleich der Desinfektionswirkung von Ozon gegen ber Chlor dem Hauptantagonisten im Bereich der Wasseraufbereitu
195. erung des Volumenstroms Anhang Tabelle Anhang 1 Messbereiche und Bezeichnungen der in der Demonstrationsanlage verbauten Sensoren EEE m TU 7 am Gesamtvolumenstrom 0 21 2 FICROO1 Trockenlaufschutz Ozonmessungen 5000 ppb bzw 0 QIR003 5 MT SWAN 5 0 mg l bzw ppm Hach Abbildungen Anhang 19 36 Aus und Bewertungen Materialtest PVC vor der Ozonierung Anhang Probe 1 nachher Pvc statistischer Wert Phase Beschreibung PVC 100 ppmh Probe 2 BRmax nachher Gravimetrie g Probe 1 Probe 2 Probe 3 statistischer Wert Oberfl chenrauhigkeit um Probe 1 Probe 2 Masse Mittelwert 30 6780 30 7178 R Mittelwert 0 176 0 201 R STABWN 0 021 0 061 R Mittelwert 1 621 1 991 unbehandelt Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00037 30 6774 0 00026 30 7177 0 00067 30 5815 R STABWN 0 189 0 517 Rmax Mittelwert 2 008 2 688 Rmax STABWN Ra Mittelwe 0 331 0 778 Masse STABWN 0 00020 0 00006 0 00003 Ra STABWN Ozonbehandlung ca 100 ppmh Mittelwert Differenz 0 0003 Rz Mittelwert R STABWN prozentuale Differenz Pvc statistischer Wert Phase Beschreibung 0 0034 Ferritgehalt Rmax Mittelwert Probe 1 unbehandelt Ozonbehandlung ca 100
196. esteht der gezeigte Stack aus 5 parallel zueinander angeordneten Plattenelektroden jede von ihnen mit einer Diamantanode und kathode zwischen denen sich die Nafion Membran bestehend aus einer speziellen Form von PTFE als Elektrolyt befindet Die Anode die zust ndig f r die Ozonproduktion ist hat jeweils einen Fl cheninhalt von 146 cm Die Nominalleistung eines solchen Elektrodenstacks Reinstwasser ist mit 1 g pro 20 Ah festgelegt 5 parallele Elektroden entsprechen 5 g h also 100 A maximaler Strombeaufschlagung Hampel et al 2005 Qualit tsmanagement Neben den bereits erw hnten Oberfl chenrauigkeitsmessungen nach der Sandstrahlung gibt es weitere qualit tssichernde Ma nahmen die in diversen Produktionsschritten ergriffen werden e Schichtdickenmessung ber B R ckstreuung e N gungen mit z Korrelation zur Schichtdicke es wird kein Gewicht mehr nach der chemischen Aufrauung verloren nur hinzugewonnen e Untersuchungen REM um das Rauigkeitsprofil n her definieren und eventuelle Defektstellen detektieren zu k nnen In Abbildung 20 sieht man die schematische Darstellung einer einzelnen Diamantelektrode und deren Edukt und Produktstr me Im n chsten Kapitel wird n her auf den Einbau der Elektroden in die Reaktoren eingegangen 57 Material und Methoden REAKTOR AUSGANG lt H2O 08 H2 w amp R EX NIOB DIAMANT KATHODE
197. estgelegten Materialfavorisierungen kann zwar der Korrosionsneigung des Ozons Rechnung getragen werden Die Materialvertr glichkeit ist jedoch meist eine Kostenfrage da stabilere Materialien in der Regel teurer und eventuell auch schwieriger zu verarbeiten sind Vor allem bei der Implementierung einer CIP Desinfektionsanlage auf Basis der Diamantelektroden in eine bereits bestehende Anlage zur G rung Lagerung von Bier k nnen nur in den seltensten F llen auf die Belange der Materialvertr glichkeit eingegangen werden Zum einen kann jedoch als Gegenma nahme der zeitliche Faktor der Desinfektion in Abstimmung mit den mikrobiologischen Ergebnissen bei der Inbetriebnahme in der jeweiligen Brauerei auf ein Minimum reduziert werden Hierdurch wird zwangsl ufig auch die Belastung auf Rohrleitungen Dichtungselemente und die Tankmaterialien gesenkt Zum anderen besteht auch die M glichkeit vor Einf hrung der Ozondesinfektion eine zus tzliche Beizung des Gesamtsystems durchzuf hren und so die Korrosionsanf lligkeit zu erniedrigen Polygrat AG 2007 Dieser Vorgang ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand und keinem allzu geringen Risiko Restvolumina Produktgef hrdungen etc verbunden Der Einsatz von Korrosionsinhibitoren verbietet sich aufgrund der meist lebensmittelgef hrdenden Eigenschaften und w rde diverse Vorteile wie die potentielle Wiederverwendung des Desinfektionsmittels als Brauchwasser zunichtemachen Potentielle Anwender der n
198. etet somit Raum f r mikrobiologischen Befall Folglich musste die Totwasserzone ber Bohrungen hydraulisch mit dem Elektrodenraum verbunden werden woraus wiederum ein erh hter Str mungswiderstand resultierte Die Passgenauigkeit entsprach trotz des flexiblen Inliners noch nicht den Erwartungen Das Montieren und Demontieren des Rundreaktors mit Inliner war aufgrund zahlreicher Verschraubungen aufwendig und kompliziert Diese Variante war nochmals hochpreisiger als der rechteckige Vorl ufer Alle bisher beschriebenen Reaktorgeometrien wurden ohne die Beachtung hydraulischer Gesetzm igkeiten und zur L sung eher mechanischer Probleme konzipiert Durch den R ckschritt auf die Laborebene konnten diverse Auslegungskriterien f r das Konzept eines optimalen Reaktorgeh uses gesammelt werden um diese dann wiederum unbefangen auf die Praxis zu bertragen Im Zuge dieser Untersuchung wurde gleichzeitig die Performance fr herer Geometrien berpr ft s Punkt 4 1 61 Material und Methoden Berechnung blicher Str mungsgeschwindigkeiten Um sowohl bei den oben dargestellten Reaktorgeometrien als auch bei optimierten Varianten einen Einblick in die hydraulischen Verh ltnisse zu erhalten ist in jedem Fall die Berechnung der freien Durchgangsfl che notwendig Diese kann entweder durch Berechnung und Addition bzw Subtraktion der Einzelfl chen oder durch die Verwendung eines CAD Programmes m glich Beispielhaft werden diese beiden V
199. etischen Grundmetallen Messen der Schichtdicke Magnetverfahren Berlin s n 1995 Deutsches Institut f r Normung V DIN 2006 EN 12740 2006 5 Dinter L 2009 Elektrolyse und verwandte Verfahren zur Anwendung in der Desinfektion Brauwelt 2009 23 Dittrich H 1993 Mikrobiologie der Lebensmittel Getr nke Hamburg Behr s Verlag 1993 S 315 ff Dittrich H 1993 Mikrobiologie der Lebensmittel Getr nke Hamburg Behr s Verlag 1993 S 169 ff Literaturverzeichnis Duo I et al 2004 Electron transfer kinetics on boron doped diamond Part I Influence of anodic treatment Journal of Applied Electrochemistry 2004 34 S 935 943 DVGW Regelwerk 2002 Merkblatt W 225 Ozon in der Wasseraufbereitung Eigener U 2008 Konservierung Buchverf A Kramer und O Assadian Wallh u ers Praxis der Sterilisation Desinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 S 255 ff Eliasson B Hirth M und Kogelschatz U 1987 Ozone synthesis from oxygen in dielectric barrier discharges J Phys D Appl Phys 1987 20 S 1421 1437 ESAU amp HUEBER GmbH 2010 NADINE Nanoskalare Modifikation von diamantbeschichteten Elektroden f r Inlinedesinfektionszwecke in unterschiedlichen Einsatzgebieten Teilantrag ESAU amp HUEBER GmbH BMBF Antrag 2010 03X 0087C Evers H und Wolf D 2008 Wachstum Vermehrung und Reduzierung von Mikroorganismen haben mathem
200. euen Oberfl chendesinfektionstechnologie m ssen zwangsl ufig vor Installation der CIP Desinfektionsstation im Einzelfall abkl ren ob ein Einsatz von Ozon tats chlich f r die vorhandene Installation in Frage kommt 195 Diskussion der Ergebnisse Beim Einsatz einer solchen Anlage bei neu konzipierten Kellern er brigt sich diese Frage zum Teil da sich eine eindeutige Tendenz in Richtung Verbau h herwertiger Materialien abzeichnet Im Lebensmittelsektor werden zunehmend Denkweisen der Pharmazie bernommen um durch ein konsequentes Qualit tsmanagement begonnen beim Anlagenbau Produktbeeinflussungen und damit einhergehende Imagesch den und rechtliche Folgen ausschlie en zu k nnen Gef hrdungspotential f r die Umgebun MAK Wert Wie bereits im Theorieteil ausgiebig beschrieben existiert der MAK Wert f r Ozon bereits seit mehreren Jahren nicht mehr dient aber immer noch als Richtlinie f r den Einsatz des Desinfektionsmittels Bei s mtlichen Versuchen in der vorliegenden Arbeit die in einem zirkul ren System durchgef hrt wurden ergibt sich dass ein abh ngig vom Puffervolumen und z B auch Tankgr e bzw volumen gro er Teil des an den Elektroden hergestellten Ozons bei der Feinverteilung in die Gasphase bergeht Der verfahrenstechnische Vorteil einer ges ttigten Gasphase im zu desinfizierenden Tank wandelt sich aber zu einem gravierenden Nachteil beim Gef hrdungspotential sowohl f r Produkt als auch Personal
201. ferenz PVDF 0 0020 Ferritgehalt Rnax Mittelwert statistischer Wert Phase Beschreibung Probe 1 unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh PE Probe 2 Gravimetrie g Probe 3 Rmax STABWN Bewertungs kriterien Optik Gesamtheit statistischer Wert Phase Beschreibung Probe 1 Probe 2 Probe 3 Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten statistischer Wert werkstofftypisch Oberfl chlich keine Auff lligkeiten gr uliche Markierungsstellen nach Behandlung Oberfl chenrauhigkeit um Probe 1 Probe 2 Masse Mittelwert unbehandelt 15 8845 15 9813 15 6472 R Mittelwert 0 167 0 863 R STABWN 0 040 0 076 R Mittelwert 1 030 5 051 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00035 15 8859 0 00036 15 9842 0 00063 15 6477 R STABWN 0 289 0 521 Rmax Mittelwert 1 574 5 890 Rnax STABWN R Mittelwert 0 659 0 562 Masse STABWN 0 00001 0 00001 0 00001 R STABWN Mittelwert Ozonbehandlung ca 100 ppmh Differenz 0 0016 R Mittelwert R STABWN prozentuale Differenz PE 0 0307 Ferritgehalt Rmax Mittelwert statistischer Wert Phase Beschreibung unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Probe 1 Probe 2 P
202. ffekt anteilig zur Desinfektion bei Rychen 2003 BDD Elektroden zeichnen sich durch hohe mechanische thermische chemische und elektrochemische Stabilit t aus Gem neuester Studien kann jedoch die kombinierte Behandlung von Nanodiamantoberfl chen mit UV und Ozon AOP zu schwerwiegenden Sch digungen der kristallinen Schicht f hren insofern keine Deckl sung also kein fl ssiger Elektrolyt verwendet wird Beim Betrieb in w ssriger L sung ist dieser Effekt vernachl ssigbar die steuerbare Oxidation wird sogar z T zur definierten Oberfl chenmodifizierung verwendet Wang et al 2012 Weitere Vorteile der Verwendung von BDD ist die Nutzung der Hydroxylradikale als Mediatoren zur direkten Oxidation von Organik zus tzlich zur Ozongenerierung die Unterdr ckung von Desinfektionsnebenprodukten und die im Vergleich zu konventionellen Methoden erh hte Energieausbeute Becker 2011 Zur Erzeugung von 1 g h Ozon ber BDDs sind in Reinstwasser 20 Ah mit einer Klemmspannung von ca 8 V notwendig Diese Werte ergeben sich aus dem langj hrigen Technologieeinsatz im Feld Ein Gramm Ozon ist somit mit 160 Wh und den entsprechenden spezifischen Energiekosten gleichzusetzen Abbildung 8 best tigt diese Einsch tzung 37 Theoretische Grundlagen 1 00 d 9325350 on 300 325 os E m275 300 S S m250 275 090 5 x 0225 250 0 85 3 200 225 Ei 0175 200 0 80 p S 0450 75 075 0125 150 i 3
203. ffperoxid mit UV Licht stellt einen AOP dar Wie beim Ozon k nnen Metalloxide zur Katalyse des Prozesses verwendet werden Zudem gibt es diverse andere Reaktionen deren Kenntnis gerade im Hinblick auf eine weitere Verfahrenskombination wichtig ist Stasinakis 2008 gt 2 OHe Gleichung 25 H O M 0 gt 20OHe e M 0O Gleichung 26 H O 0He gt 0 He H O Gleichung 27 H O 0 H e gt 0H e H 0 0 Gleichung 28 2 H O Gleichung 29 2 0 He gt H 0 0 Gleichung 30 OH e O H e gt H 0 0 Gleichung 31 So ist z B Gleichung 27 von Vorteil bei der Fenton Reaktion unter UV Bestrahlung Das Superoxidradikal kann dissoziiert zur Generation bzw Regeneration des zweiwertigen Eisens s Fenton Reaktion verwendet werden Moraes et al 2004 Zudem besteht immer die M glichkeit der Radikalkettenverl ngerung oder einer Abbruchreaktion wie die Gleichung 29 zeigt Buxton et al Gleichung 28 ist die so genannte Haber Weiss Gleichung die ebenfalls einer Metallkatalyse unterliegt Dreiwertiges Eisen als Beispiel f r einen Katalysator wird in diesem Fall erst durch das Radikal reduziert und danach durch Wasserstoffperoxid wieder oxidiert Kiefer 2002 Fenton und Photo Fenton Reaktion Die so genannte Fenton Reaktion l uft immer unter der Anwesenheit von zweiwertigem Eisen und Wasserstoffperoxid ab s Gleichung 32 Als automatischer und parallel zur eigentlichen Reaktion ablaufender Regene
204. finale Reaktorstudiie 178 5 2 4 Beurteilungsmatrix Druckraumf llung 180 5 3 _KONSTRUKTION UND BAU DER DEMONSTRATIONSANLAGE F R DIE OBERFL CHENDESINFEKTION 183 5 4 _VERFAHRENSTECHNISCHE UNTERSUCHUNGEN ZUR OBEREL CHENDESINFEKTION 185 5 4 1 Ozonauf und abbau in realen zyklischen Systemen 185 Inhaltsverzeichnis 5 4 2 Vorl ufige Auswahl Favorisierung der Reimigungsgrmafur 189 5 4 3 Mikrobiologische 190 5 4 4 Auswahl der Online Sensorik mit Nutzwertanalyse 192 5 55 RISIKOBEWERTUNG u ss nn Se Eed edd 193 5 5 1 Beurteilung des Moterioltests aaa aiaa 193 5 5 2 V rahrensbewertung 2 aaa i aaea ii 194 5 6 WIRTSCHAFTLICHKEITSBERECHNUNG GEGEN BER KONVENTIONELLEN 198 6 1 _VERFAHRENSTECHNISCHE AUSLEGUNGSGRUNDLAGEN ZUR KONZEPTION UND ZUM BETRIEB EINER VOLL FUNKTIONSF HIGEN CIP DESINFEKTIONS STATION AUF BASIS EINER ELEKTROLYTISCHEN 7 201 6 2 AUSLEGUNGSGRUNDLAGEN F R DEN LANGFRISTIGEN ELEKTRODENSTACKBETRIEB UND VERFAHREN ZUR STABILIT TSGEW HRIEISTUNG egent Ehe hun 202 6 3 AUSBLICK AUF M GLICHE ALTERNATIVAPPLIKA
205. folgende berlegungen G nsel et al 1998 e Str mungsgeschwindigkeiten an Tankwandungen bewegen sich der realen CIP V Desinfektion um 0 655 m s v ER 4 Was als Ausgangspunkt f r die Laboruntersuchungen gew hlt werden sollte e Um bei einem Volumenstrom der Testanlage von 4 l min bleiben zu k nnen ergibt sich etwa eine zu durchstr mende Fl che von 102 mm e Die berlegung zur Realisierung dieser definierten Str mungsbedingungen ist ein Zwischenst ck f r den R cklauf der Laboranlage zu bauen das einfach demontierbar ist e Die Einf hrung der Schlitten ist b ndig zu einer zu durchstr menden Fl che von ca 102 mm und h lt diese ein e Durch Einkerbungen im Vollmaterial des Schlittens k nnen mit Mikroorganismen beschickte Metallpl ttchen wiederum vollkommen b ndig eingepasst werden diese Arbeiten sind mittels abgeflammter Pinzette und Nadel absolut steril durchf hrbar Abbildung 106 Aufnahme f r die berstr mungsversuche F r die Beschickung mit Mikroorganismen wurden Metallpl ttchen aus V4A 1 4404 bzw 3161 der St rke 2 mm verwendet Bei einer Kantenl nge von 11 8 mm ergibt sich eine Fl che von 139 24 mm oder 1 3924 cm Beim Auftragen der Keimsuspensionen zur Antrocknung werden pro Pl ttchen 0 1 ml kreisf rmig verteilt was zu einem Tropfendurchmesser von gut 11 mm f hrt Dies entspricht wiederum einer Fl che von ca 1 cm was die Umr
206. fpolymerelektrolyt aus PTFE Handelsname Nafion eingesetzt Der Vorteil von bordotierten Diamantelektroden ist die hohe berspannung die die Sauerstoffentstehung bei der Wasserelektrolyse fast vollst ndig unterdr ckt Dadurch wird die Generierung von Hydroxylradikalen und damit auch von Ozon bevorzugt Duo 2004 Hoigne et al 1976 Wie in Abbildung 7 zu sehen ist verursacht das Anlegen einer Spannung an der Diamantanode nach der Physisorption eines Wassermolek ls den Verlust eines seiner Valenzelektronen Damit zerf llt das Molek l in eben dieses Elektron ein Proton und ein sehr reaktives Hydroxylradikal weswegen dieser Vorgang auch als EAOP elektrochemical advanced oxidation process s in 2 4 3 bezeichnet wird 35 Theoretische Grundlagen Organik Abbildung 7 Ozonentstehung der DIACHEM Diamantanode Hampel et al 2005 Die Teilvorg nge dieser Redoxreaktion sind in Gleichung 37 und 38 dargestellt Becker 2007 Anode H O gt OH e Gleichung 37 Kathode 2 2 gt 20H H Gleichung 38 Aus diesen beiden Gleichungen geht hervor dass an der Kathode Hydroxidionen und Wasserstoff entstehen Wasserstoff ist meist der Grund f r eine altersproportionale Verspr dung des Niobs weshalb immer gew hrleistet sein sollte dass er durch eine gen gend hohe Str mungsgeschwindigkeit und Turbulenz abtransportiert werden kann Die elektrochemischen Vorg nge geschehen fast
207. g 18 Die Reaktivit t des Singulettsauerstoffs f hrt in w ssriger Phase zur Bildung von Hydroxylradikalen Gleichung 19 Trifft der Singulettsauerstoff trotz seiner niedrigen Lebenszeit von 2 10 s auf einen Kohlenwasserstoff ist ebenso die Bildung eines radikalischen Kohlenwasserstoffrests in Kombination mit der Hydroxylradikalentstehung m glich Gleichung 20 Kiefer 2002 Erfolgt die UV Bestrahlung bei einer Wellenl nge die ber der Hartley Bande gt 310 nm liegt so entsteht Triplettsauerstoff dessen Reaktivit t weit unter der des Singulettsauerstoffs liegt em 10 Gleichung 18 0 H 0 220He Gleichung 19 O R H gt OHe Re Gleichung 20 Ozon und Ultraschall Behandelt man ozonbeladenes Wasser mit Ultraschall so kann durch die Einwirkung der hochfrequenten und energetischen Schallwellen eine hnliche Reaktion wie bei der Einwirkung von UV Strahlen auftreten Stasinakis 2008 IE 30 O Gleichung 21 O H O gt 2 e Gleichung 22 Ozon und Wasserstoffperoxid oder Metalloxide Bei der Kombination von Ozon und Wasserstoffperoxid entstehen ebenfalls Hydroxylradikale Gleichung 23 Ebenso kann mit Metalloxiden gearbeitet werden die den Prozess katalysieren Stasinakis 2008 20 H O gt 3 2 Gleichung 23 32 Theoretische Grundlagen M 0 gt 0 Gleichung 24 Wasserstoffperoxid und UV Licht oder Metalloxide Auch die Bestrahlung von Wassersto
208. gencarbons uren Physikalische Desinfektionsverfahren Ebenfalls wird in 2 3 auf die physikalischen Desinfektionsverfahren eingegangen In dieser sehr inhomogenen Verfahrensgruppe finden sich die thermische Desinfektion oder Sterilisation die UV Behandlung und die Filtration wieder Da es au er der R ckf hrbarkeit auf physikalische Grundprozesse keine Gemeinsamkeiten gibt werden die einzelnen Verfahren in der jeweilig zugeordneten Tabelle behandelt Weitere Begriffsdefinitionen Im Folgenden werden zur leichteren Verst ndlichkeit wichtige Kennzahlen der Keimreduktion definiert Diese sind im Verlauf der Arbeit essentiell wichtig wenn es um das Verst ndnis unterschiedlicher Einfl sse auf die Desinfektion geht Dezimaler Reduktionswert Unabh ngig davon ob eine Keimreduktion durch chemische oder physikalische Prozesse erfolgt stellt diese einen zeitabh ngigen Prozess dar Theoretisch folgt sie den Gesetzm igkeiten einer Reaktion erster Ordnung was einen logarithmischen Verlauf bedeutet Die Wirkung von Desinfektionsmitteln ber gleiche Zeitperioden bedeutet somit immer dieselbe prozentuale Keimzahlminderung Evers et al 2008 Die ben tigte Dauer eines Desinfektionsschrittes ist damit immer abh ngig von den Parametern Anfangskeimzahl und nach Behandlung erw nschte Keimzahl 10 Theoretische Grundlagen Der D Wert ist als die Zeit in Minuten definiert die erforderlich ist um die Ausgangskeimzahl eines bestim
209. gocarmin 160 A Indigocarmin 240 A Indigocarmin 320 A Mittelwert Indigocarmin 160 A Mittelwert Indigocarmin 240 A Mittelwert Indigocarmin 320 A Abbildung 123 Genauigkeit und Stabilit t Durchfluss SWAN Im Kreislaufbetrieb sind diese Eigenschaften des SWANs wiederzuerkennen Die Messwerte sind solide und liegen immer etwas ber den Indigocarminwerten Genauigkeit und Stabilit t Kreislauf Orbisphere Mettler und SWAN Stromvorgabe 240 A Temperatur 20 22 C Volumenstrom 12 m h Druckverlust 1 5 bar Sumpfvolumen 500 1 Leitf higkeit ca 510 uS cm 8 Ozonkonzentration ppb gt 8 8 50 Zeit min Orbisphere Mettler Indigocarmin Elektrodenabschaltung Abbildung 124 Genauigkeit und Stabilit t Kreislauf alle Sensoren 163 Ergebnisse Tr gheitsverhalten Wie in den vorangegangenen Versuchen bereits festgestellt werden konnte ben tigen die drei Sensoren unterschiedlich lange Zeitspannen um auf Konzentrations nderungen zu reagieren Dieses Tr gheitsverhalten der Sensorik soll nun bei weiteren Versuchen genauer untersucht werden Dazu werden die drei Sensoren in drei unterschiedlichen Validierungsschritten untersucht e Der Abschnitt Anlaufzeiten zeigt auf welche Zeitspanne die Ozonmessger te nach einem mehrst ndigen Stillstand der kompletten Anlage ben tigen um den aktuellen Wert anzuzeigen e Im Abschnitt nderungsraten
210. gocarmin 240 A Indigocarmin 320 A Mittelwert Indigocarmin 160 A Mittelwert Indigocarmin 240 A Mittelwert Indigocarmin 320 A Abbildung 122 Genauigkeit und Stabilit t Durchfluss Orbisphere Im Kreislaufbetrieb s Abbildung 124 ist die Abweichung noch geringer Dort stimmen die ausgegebenen Werte sehr gut mit den Werten der Handmessmethode berein und man erkennt auch die Zunahme der Ozonkonzentration Insgesamt erscheint der Orbisphere im Kreislaufbetrieb als der genaueste und zuverl ssigste Sensor Der SWAN ist der einzige der drei Sensoren der Umpolungen erst mit deutlicher Versp tung und nicht detailliert aufnimmt s Abbildung 123 Auf diese Verz gerung wird auch in den folgenden Versuchen nochmals genauer eingegangen Beim SWAN dauert es mit steigender Stromst rke eine deutlich l ngere Zeitspanne bis nach einer Umpolung wieder der tats chliche Wert angezeigt wird Au erhalb dieser Einschnitte ist der waagrechte Verlauf gut erkennbar Die Abweichung zu den Indigocarminwerten nimmt mit steigender Konzentration zu und ist etwas gr er als bei Mettler und Orbisphere 162 Ergebnisse Genauigkeit und Stabilit t Durchfluss SWAN Stromvorgabe 160 240 320 A Temperatur 17 5 18 3 C Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm Ozonkonzentration ppb 100 0 0 5 10 15 20 Zeit min Messwerte 160 A Messwerte 240 A Messwerte 320 A Indi
211. gruber C 2009 Ursache erforschen und beheben Desinfektion von Wasser in der Getr nkeindustrie Getr nkeindustrie 2009 1 Anhang 7 Anhang Ingolst dter Kommunalbetriebe A R 85047 Ingolstadt Trinkwasserlabor Telefon 0841 305 35 20 Stadtwerke Schrobenhausen Telefax 0841 305 35 29 Carl Poellath Str 19 trinkwasserlabor in kb de 86529 Schrobenhausen Gesch ftsstelle Unterhaunst dter Weg 47 D 85055 Ingolstadt Kundennummer 1000873 Auftrag 2 17 334 Ingolstadt 14 12 2011 JMr Befund der chemischen Wasseruntersuchung Pr fzeitraum 03 11 2011 bis 14 12 2011 Probenehmer H ttinger Probenmaterial Trinkwasser Untersuchungsart Period Unters gem TrinkwV 2001 WV Schrobenhausen NORD Probenahme am 03 11 2011 Probenahmezeit 11 35 Uhr 045 621 Entnahmestelle AWO Drei Linden Sp le Heizraum Kennzahl 1230 0185 000 80 Probeneingang am 03 11 2011 Nachw Grenzwert Parameter Verfahren Ergebnis grenze TrinkwV Dimension Geruch vor Ort 2 geruchlos Geschmack vor Ort DEV B1 2 ohne Geruchsschwellenwert 12 C DEV 1 2 lt 1 Geruchsschwellenwert 25 DEV 1 2 lt 1 3 Wassertemperatur vor Ort DEV C4 13 2 Ee F rbung Hg 436 nm DEV C1 3 lt 0 1 0 1 0 5 m Tr bung DEV CH 0 49 0 1 1 0 NTU pH Wert vor Ort Bew temp DEV 5 7 83 bei 13 2 C 6 5 9 5 Calcits ttgg Bew temp DEV C10 R3 7 49 bei 13 2 C Calcitl sekapazit t
212. gung des Sp lzykluses via UV Licht auf Fluoreszenz berpr ft Sind keine R ckst nde mehr sichtbar gilt das Reinigungsprozedere als valide bzw geeignet Im Ergebnisteil wird nochmals genau auf die Durchf hrung des Tests eingegangen Da der Test f r die Validierung der Reinigung ausgelegt ist dient er nur zur grunds tzlichen Auslegung der Reinigungsarmaturen und des Verfahrens Volumenstrom Zeit Aussagen ber die Desinfektionswirkung k nnen ber diesen Test nicht getroffen werden Abbildung 28 Unter UV Bestrahlung fluoreszierendes Riboflavin nach einem Reinigungstest 3 4 Berechnungen Elektrochemie Aus dem Faraday schen Gesetz k nnen diverse f r die sp teren Validierungen unentbehrliche Kennzahlen abgeleitet werden So z B die Stromausbeute in der die Ozonleistung s Gleichung 76 den tats chlichen elektrischen Wirkungsgrad umgerechnet wird s Gleichung 77 Die Ozonleistung resultiert aus dem Produkt der Ozonkonzentration und des Volumenstroms und ist gleichbedeutend mit dem hergestellten Ozonmassenstrom 73 Material und Methoden d 3 ARDE V 1 min 60 min h Gleichung 76 g 10001 P 2 1 96485 3399 5 6 n Jmol 16 75 Gleichung 77 48 g mol 20 Ah 3600 2 Exemplarisch wird in Gleichung 77 die Stromausbeute f r die Nominalleistung der Elektroden berechnet Gem Elektrodenstackeinstufung des Herstellers entspricht eine Ladung von 20 Ah 1 g Ozon pro Stunde i
213. h rigen Analysenwerte k nnen im Anhang eingesehen werden Das Wasservolumen zur Sumpfbef llung bei Kreislaufversuchen musste permanent einen gen gend hohen Wasserstand gew hrleisten damit es zu keinerlei Besch digung der Pumpe aufgrund von Trombenbildung kommen konnte 86 Material und Methoden Die Abbildung 36 zeigt das R amp I Schema der Ozonanlage mit allen Anlagenkomponenten die zum Teil im Folgenden und vor allem in Bezug auf Ihren Steuerungs und Regelcharakter in 4 3 3 dargestellt werden r 7 777277777 swo NEE Lens QIR SS a ee Abbildung 36 R amp l Schema der Demonstrationsanlage ER gt Wasserausgang ozonhaltig Wassereingan ohne Drucl Lo Wassereingang mit Druckerh hung w LEGENDE VENTIL MISCHD SE FLANSCHVERBINDUNG SCHEMA EIN BZW AUSTRITT BE UND ENTL FTER KREISELPUMPE MOTOR WECHSELSTROM ARMATUREN KENNZEICHNUNG TEMPERATURMESSUNG ANZEIGE ALARM QUALIT TSMESSUNG ANZEIGE ALARM DRUCKMESSUNG TLICH DRUCKMESSUNG ANZEIGE REGELUNG DURCHFLUSSMESSUNG ANZEIGE REGELUNG Der Oberfl chendesinfektions Demonstrator besteht ebenfalls aus Edelstahl der G te 1 4404 V4A und h herwertig hat ein Fassungsverm gen von ca 50 und besteht aus folgenden Komponenten e Hochdruck Kreiselpumpe Grundfos Hilge CRN 15 3 Tabelle 21 Leistungsdat
214. h g nstigen 30 Theoretische Grundlagen Voraussetzungen mit einem elektrischen Wirkungsgrad von ca 35 sehr energieeffiziente Methode wird zumeist in einem wassergek hlten abgeschirmten Reaktor durchgef hrt um die Penetration durch die Radioaktivit t zumindest zu minimieren Dennoch bleibt ein Restrisiko welches in Kombination mit der komplizierten Anwendung einen Ausschlussgrund f r die technische Anwendung darstellt Hohe Investitionskosten und die zus tzliche Gefahr der Verschleppung radioaktiver Isotope und Zerfallsprodukte mit dem erzeugten Gasgemisch sind weitere Gr nde f r die grunds tzlich seltene Verwendung der Methode Heim et al 2011 Die Verwendung von z B Bleidioxidelektroden als Vertreter der Mischoxidelektroden als elektrolytische Ozonerzeugungsmethoden ist in diversen Industriezweigen wie der Pharmazie recht beliebt jedoch auch mit Problemen wie der Alterung der Elektroden und oder der Membran verbunden Hierbei wird an einer zumeist als Platte ausgef hrten Elektrode ein Stromfluss generiert der in Verbindung mit einer geometrisch bedingten berspannung steht Die Eigenschaften der Elektrode und z T der Membran wie das sog berspannungspotential sorgen f r eine anteilige Ozonbildung w hrend gleichzeitig aber auch die gew hnliche Elektrolyse des Wassers stattfindet Geringen Kosten und einer guten Ausbeute stehen die Bildung diverser Nebenprodukte und eben wartungsintensivierende und dami
215. hang 14 In einem Betriebsstundenz hler k nnen z B f r die Auswertung der pro Versuchslauf ben tigen Energie s mtliche Laufzeiten der Einzelkomponenten abgerufen werden s Abbildung Anhang 17 Alle Analogwerte der Sensoren k nnen direkt auf den Datenschreiber bertragen werden 4 4 Verfahrenstechnische Untersuchungen zur Oberfl chendesinfektion 4 4 1 Ozonauf und abbau in realen zyklischen Systemen Das folgende Kapitel befasst sich mit dem Ozonauf und abbau in realen zyklischen Systemen wie sie bei der CIP Reinigung von Beh ltern auftreten Dabei werden sowohl die Parameter Stromst rke und Elektrolysezeit als auch der Systemdruck variiert Die in den Versuchen ermittelten Ozonaufbaukurven sollen Erkenntnisse zu den produzierbaren Ozonkonzentrationen geben und somit als Anhaltswerte f r sp tere Desinfektionsversuche 134 Ergebnisse dienen Die Ozonabbaukurven zeigen wie schnell das erzeugte Ozon im Wasser wieder abgebaut wird und erm glichen Vergleiche mit den Halbwertszeitversuchen auf Laborebene Alle Einzelversuche k nnen dabei direkt miteinander verglichen werden da ein identischer Versuchsaufbau verwendet wurde e Demonstrationsanlage ausger stet mit erster Reaktorstudie e Im 4m Versuchstank wird ein Sumpfvolumen von 500 Liter Schrobenhausener Leitungswasser Leitf higkeit ca 510 uS cm vorgelegt e Probenahme bei polarisierten Elektrodenstacks immer am Probenahmeventil direkt nach den Elektroden
216. he 72 I h des optimalen Volumenstroms als hoher Durchfluss gew hlt wird 159 Ergebnisse Durchflussvariation Online Sensorik Orbisphere Stromvorgabe 240 A Temperatur 17 2 18 3 C Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm 800 4 700 600 500 400 4 300 Ozonkonzentration ppb 200 100 0 5 10 Zeit min 61l h 181 h Optimum 361 h 721 h Abbildung 119 Durchflussvariation Orbisphere Durchflussvariation Online Sensorik Mettler Stromvorgabe 240 A Temperatur 17 2 18 3 C Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm 800 Ozonkonzentration ppb 200 100 4 0 5 10 Zeit min 6l h 181 h Optimum 361 h 721 h Abbildung 120 Durchflussvariation Mettler In der Abbildung 119 sind die Messwerte des Hach Orbisphere zu sehen Die Ozonkonzentrationswerte steigen mit dem Durchfluss relativ gleichm ig an Das Ergebnis ist ebenso berraschend da die Angabe des Herstellers mit einem Durchfluss von mindestens 10 I h zu sehr unterschiedlichen Messwerten f hren kann So liegen die Messergebnisse bei 72 h um mehr als 40 h her als bei 18 l h 160 Ergebnisse Die Messwerte des Mettler Toledo sind in Abbildung 120 aufgef hrt und zeigen ein anderes Verhalten auf Die Ozonkonzentrationswerte sind bei mittlerem Durchfluss 18 36 1 sehr hnli
217. hen Elektrizit t aus Spitzen sich entwickelnden Geruch Pogg Am 1840 50 S 616 635 Literaturverzeichnis Schreiner G 2008 Grundlagen und Anwendungen der modernen Peressis ure Desinfektion s l Fachakademie f r angewandte Hygiene 2008 Schriever K H und Schuh F 1980 Enzyklop die Naturwissenschaft und Technik s l Verlag Moderne Technik 1980 S 3158 Schulze Bremer GmbH 2010 Online 2010 http www schulzebremer com media products 0799691001218186148 pdf Schumacher J 2005 Ozonung zur weitergehenden Aufbereitung kommunaler Kl ranlagenabl ufe Hrsg Fakult t 111 Prozesswissenschaften Technische Universit t Berlin Dissertation Berlin s n 2005 S 25 27 Schweizerische Gesellschaft f r Lebensmittelhygiene SGLH 1988 Arbeitstagung Reinigung und Desinfektion im Lebensmittelbereich Vortr ge der 21 Arbeitstagung Die Gesellschaft 24 November 1988 Siemens Water Technologies 2011 Wallace amp Tiernan Product Sheet DIOX A10 Chlorine dioxide generator s l Siemens Water Technologies 2011 Singer P C Borchardt J H und Colthurst J M 1980 The Effects of Permanganate Pretreatment on Trihalomethane Formation in Drinking Water J AWWA 72 1980 10 5 573 578 Sohn J et al 2004 Disinfectant decay and disinfection by product formation model development chlorination and ozonation by products Water Research 2004 28 S 2461 2478 Sommer et al 1992 S
218. her VA vor der Ozonierung Probe 2 vorher Rnax STABWN Bewertungs kriterien Optik Gesamtheit Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Probe 3 Ra vorher werkstofftypisch Minimale Aufhellung Schleifstellen sind leicht verf rbt Glanz erhalten Anhang Phase Beschreibung Probe 1 9 Rz nachher Probe 1 m Rz vorher statistischer Wert VA 100 ppmh Probe 2 Rmax nachher V A vor der Ozonierung Probe 2 Rmax vorher Gravimetrie g Probe 3 8 nachher Probe3 Ra vorher statistischer Probe 1 Probe 2 Wert Oberfl chenrauhigkeit um Probe 1 Probe 2 unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Masse Mittelwert 60 1297 60 5477 R Mittelwert 0 280 0 264 R STABWN 0 011 0 025 R Mittelwert 2 416 2 701 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00010 60 1302 0 00012 60 5490 0 00032 60 8388 R STABWN 0 181 0 319 Rmax Mittelwert 2 920 3 297 Rmax STABWN R Mittelwert 0 252 0 501 Masse STABWN 0 00007 0 00004 0 00004 Ra STABWN Mittelwert Differenz 0 0007 R Mittelwert R STABWN Phase Beschreibung prozentuale Differenz statistischer Wert 0 0035 6 Ferritgehalt Rmax Mittelwert R
219. hnung eines etwaigen Offsets durchgef hrt Ozonabbauphase mit Kreislauff hrung Phase I Abbau Im zweiten Abschnitt 62 min 100 min werden die Elektrodenstacks nicht mehr betrieben die Umw lzpumpe sorgt jedoch noch f r einen konstanten Kreislaufvolumenstrom von 12 mh Die Abschaltung der Elektroden erfolgt bei 61 Minuten der einmin tige Puffer wird aufgrund der Tr gheit der Elektroden gew hlt die f r den gesamten Abschaltprozess mehrere Sekunden ben tigen Um diesen St rfaktor bei der ersten Messung zu umgehen wird diese erst bei 62 Minuten durchgef hrt Ziel dieses Versuchsabschnitts ist zu eruieren inwieweit die aus dem Ozonaufbau vorhandene Ozonkonzentration im Kreislaufbetrieb ohne neu generiertes Ozon abnimmt Wie in Abbildung 97 dargestellt ist h lt sich die Ozonkonzentration entgegen der Halbwertszeitannahme lange fast auf einem identischen Niveau Bei 80 160 und 240 A sinkt der Konzentrationswert nur minimal bei 320 A ist das Absinken zwar merklich jedoch auch noch nicht allein mit der Theorie einer Halbwertszeit im Bereich von 30 Minuten erkl rbar Wiederum erfolgt eine genauere Erl uterung der oben gezeigten Ergebnisse im Diskussionsteil 136 Ergebnisse Ozonabbau 1 Phase diverse Startkonzentrationen Vergleich Stromvorgabe 0 A Temperatur 19 21 Volumenstrom 12 m h Sumpfvolumen 0 5 gt Druckverlust 1 5 bar Spr hkugel w N S E
220. i etwa 4 5 g h beim Maximalstrom von 120 A s Abbildung 79 116 Ergebnisse Anstr mwinkel und Elektrodenabstand Als weiterer Parameter wird mithilfe des PVC Reaktors nochmals der optimale Anstr mwinkel in Bezug auf die Elektrodenoberfl che berpr ft Als Varianten stehen im Praxisma stab konstruktionsbedingt jedoch O parallel und 90 frontal zur Verf gung welche sich in den Vorversuchen als ann hernd gleichwertig herausgestellt hatten Zus tzlich zu dieser Variation wird der Abstand der Einzelelektroden auf den maximal doppelten Abstand vergr ert s Abbildung 80 parallele Anstr mung 16 mm Elektrodenabstand frontale Anstr mung PVC Reaktor Variation Anstr mwinkel und Elektrodenabstand Temperatur ca 13 C Volumenstrom 5 mh Leitf higkeit ca 510 uS cm 0 046 1 017 R 0 997 y 0 041 0 727 R 0 999 y 0 041 0 727 0 999 Ozonleistung g h y 0 043x 0 962 R 0 995 60 Strom 1 frontal doppelter Elektrodenabstand frontal parallel doppelter Elektrodenabstand parallel Abbildung 81 Ozonleistung in Abh ngigkeit von Anstr mwinkel und Elektrodenabstand Aus Abbildung 81 geht deutlich hervor dass der gew hnliche Elektrodenabstand mit frontaler Anstr mung eine ca 10 h here Ozonleistung ergibt als die anderen Kombinationen aus denen sehr hnliche Leistungen resultieren 117 Erg
221. ichem Volumenstrom eine Vergr erung der Str mungsgeschwindigkeit v bedingt und andersherum Delgado 2004 v A Gleichung 87 In Erg nzung hierzu dient die Bernoulli Gleichung als fundamentales Werkzeug der Hydraulik Mit der in Gleichung 88 dargestellten Form lassen sich s mtliche w hrend der Versuche relevanten Druckvarianten und deren nderungen detektieren Delgado 2004 Zus tzlich k nnen Druckverluste in die Rechnung eingehen was gerade f r reale Prozesse unerl sslich ist 76 Material und Methoden P pgh Yo pgh Gleichung 88 Mit p atmosph risch wirkender Druck p Dichte v Str mungsgeschwindigkeit h geod tische H he Druckverlust Eine ebenso wichtige Kenngr e ist die dimensionslose Reynoldszahl s Gleichung 89 die Auskunft ber die Charakteristik einer Str mung gibt Die sog kritische Reynoldszahl von 2320 trennt die darunter liegend laminare von der dar ber liegenden turbulenten Str mung Als glatt laminar wird der Bereich der Reynoldszahl bis zu einem Wert von 100 bezeichnet TU Darmstadt 2008 Der Innendurchmesser D kann bei einer Verkleinerung der freien Durchgangsfl che durch die eingesetzte Elektrode auch neu berechnet werden Hierzu folgen im Ergebnisteil noch genauere Erl uterungen Re v DB 7 Gleichung 89 Mit n dynamische Viskosit t oder Scherz higkeit Zur Bestimmung der Rohrreibung muss vorerst die Reynold
222. ie Lagerzeit der Elektroden ist momentan unbegrenzt und hat gem derzeitiger Einsch tzung keinerlei Auswirkung auf die resultierende Performance Die Sandwichbauweise Elektrode Feststoffelektrolyt Elektrode ist normiert sodass die H ndigkeit eines Stacks M glichkeit der verschiedenen Orientierung von Einzelelektroden keine Rolle f r den Einbau in standardisierte Elektrolysezellen spielt Die Stromdurchf hrungen die letztlich als Befestigung f r die von der Stromquelle und dem Umpolsch tz kommenden Kabelschuhe dienen und den Stromfluss berhaupt erm glichen bestehen g nzlich aus Titan Grade 2 und werden mittels Titanschrauben Abstandsh lsen und Gegenmuttern s Abbildung 19 fixiert Zus tzlich sind f r die mechanische Stabilit t Bohrungen im Streckmetall vorhanden die eine Verschraubung der einzelnen Partitionen mit Gewindebolzen Abstandshaltern und au enstehenden Muttern aus PVDF erlauben 56 Material und Methoden 1 Stromdurchf hrungen elektrischer AN Anschluss Titan 2 Abstandsh lsen Titan 3 Verbindungsschrauben Titan 4 Gegenmutter Titan AS 5 DIACHEM Diamantanode 6 DIACHEM Diamantkathode 7 PVDF Gewindestangen 8 Nation Membran 9 PVDF Gegenmutter 10 Abstandsh lsen PVDF Abbildung 19 Darstellung des grundliegenden Aufbaus des DIACHEM Elektrodenstacks 5 parallele Elektroden Hampel et al 2005 Wie in der Abbildung 19 zu sehen ist b
223. iebigen Querschnittsfl che der Flie geschwindigkeit in einem Rohr mit einem aus vorliegender Fl che berechneten Durchmesser entspricht Eine exakte Definition der Reynoldszahl bzw Turbulenz v a in 62 Material und Methoden Elektrodenn he ist aufgrund des Vorliegens eines Zweiphasen Gemischs und diversen zus tzlichen str mungsbeeinflussenden Faktoren nicht m glich Dennoch gibt die Methodik eine Tendenz wider 3 3 Analytik 3 3 1 Ozonanalytik und Photometrie Als Grundlage f r die Ozonmessung mittels Indigocarmin und DPD Methode dient die Spektralphotometrie Die Konzentrationsbestimmung erfolgt hierbei mittels Photometer in welchem gemessen wird in welchem Ma die Intensit t eines Lichtstrahls durch die Adsorption dieser Strahlung geschw cht wird Als Messsignal wird die Extinktion verwendet welche linear zur Konzentration des zu messenden Stoffes der optischen Wegl nge und dem Extinktionskoeffizienten ist Sie ist das Ma f r die Abschw chung einer Strahlung in einem Medium und wird durch das Lambert Beer sche Gesetz s Gleichung 72 beschrieben SWAN Analytics 2006 Macherey Nagel GmbH 2006 E lg 1 15 e IgT Gleichung 72 Mit E Extinktion Absorption bei einer gewissen Wellenl nge dimensionslos Intensit t des transmittierten Lichts W m lo Intensit t des eingestrahlten Lichts W m Konzentration des absorbierenden Stoffs im Substrat mol l Schichtdicke des B
224. iederum mehr von ihrer oxidativen Wirkung entfalten und zumindest anteilig die Qualit t der Desinfektion beeinflussen Die im Labortank aufgebrachten Keime haben w hrend der Trocknungsphase auch korrelierend zur Praxis innerhalb des Tanks ein geschlossenes System und trocknen so aufgrund der h heren Luftfeuchtigkeit nicht in einer Art und Weise an wie auf den Metallpl ttchen die im Brutschrank angetrocknet werden Beim Vergleich der Expositionen bei der Tankdesinfektion f llt auf dass entgegen der Feststellungen aus 4 4 1 nur geringe Mengen an Ozon durch die Feinverteilung des Wassers im Tank abhandenkommen Die vorhandene Ozonzehrung bzw das Defizit an Ozonexposition und damit auch konzentration kann zum Teil der tats chlichen Reaktion mit der mikrobiellen Verunreinigung zu einem kleinen Teil aber auch Ausgasungsvorg ngen zugeschrieben werden Die Halbwertszeit ist bei der Verweilzeit von wenigen Sekunden eher als sekund rer Parameter zu sehen Der im Vergleich zum Versuchstank im technischen Ma stab geringe Verlust an Ozonkonzentration kann ebenso auf den bereits bekannten Einfluss des gasf rmigen Ozons zur ckgef hrt werden Aufgrund des im Verh ltnis deutlich geringeren Gasraumes 4 im Laborma stab zu knapp 4 m im Praxisma stab und der berdimensionierten Elektrodenstackleistung max 0 25 g h im Vergleich zu max 16 g h in der Demonstrationsanlage ist die Labortankatmosph re innerhalb k rzester Zeit ozonges ttigt un
225. iger Vorteil der Verwendung von Diamantschichten ist die M glichkeit eines Polarisationswechsels der kalkpr ventiv wirkt Dieser Umpolvorgang hat jedoch auch lebensverk rzende Auswirkungen da eine h ufige Ladungsfluss nderung das Interface strapazieren kann und so die aktive Oberfl che besch digt wird Haar 2010 2 5 3 Grundlagen der Elektrochemie Alle Vorg nge an bordotierten Diamantelektroden basieren auf den physikalischen Grundgesetzen der Elektrolyse Diese gehen wiederum aus der elektrischen Leitung hervor f r die das Vorhandensein von beweglichen Ladungstr gern in Leitern Gasen Fl ssigkeiten Feststoffen die Voraussetzung darstellen In Fl ssigkeiten und Gasen stellen lonen diese Ladungstr ger dar die ja bekannterma en je nach Wertigkeit ein oder mehrere Elektronen mehr oder weniger als in ihrem Grundzustand in ihrer Elektronenh lle beherbergen Deshalb kann der Ladungstransport immer auf das ganzzahlige Vielfache der elektrischen Elementarladung e zur ckgef hrt werden Die Einheit Coulomb ist gleichzusetzen mit einer 42 Theoretische Grundlagen Amperesekunde also dem Stromfluss von einem Ampere ber eine Sekunde hinweg TU M nchen 2001 Ose 2003 1 602 10 49 In diesem Zusammenhang ist auch die Kenntnis der Begriffe Widerstand und Leitf higkeit notwendig Der Widerstand definiert sich ber das Verh ltnis von Spannung zu Strom Ohm sches Gesetz s Gleichung 50
226. igproben Art Nr 946006 2009 Macherey Nagel GmbH 2009 BioFix Lumi ATP Schnelltest zur Hygienekontrolle von Oberfl chen Art Nr 946001 2009 Mahr GmbH 2005 Bedienungsanleitung Perthometer 1 s l Mahr GmbH 2005 Mangold K M und Weidlich C 2011 Entwicklung eines elektrochemischen Moduls zur kombinierten Wasserdesinfektion und Kalkpr vention Frankfurt a M s n 2011 AiF Abschlussbericht IGF Nr 15506 N Literaturverzeichnis Meierkordt T 2008 Es ndert sich etwas Gute CIP Ergebnisse kommen nicht von alleine Brauindustrie 2008 3 S 31 33 Meierkordt T 2005 Kontrolliert sauber Wirtschaftliche Beh lterreinigung Chemie und Technik 2005 5 S 68 70 Methodensammlung der Mitteleurop ischen Brautechnischen Analysenkommission MEBAK 1997 Brautechnische Analysemethoden Hrsg Dr Heinrich Pfenninger 3 Freising Selbstverlag der MEBAK 1997 S 90 Mettler Toledo AG 2006 Bedienerhandbuch 3X8 210 Sensoren f r gel stes Ozon s l Mettler Toledo 2006 Meuli K 1993 Ozonanwendung in der Wasseraufbereitung Ehningen expert 1993 S 18 ff Meyer 1987 Meyers gro es Taschenlexikon 2 Mannheim s n 1987 Bd 16 Moraes J E F et al 2004 Treatment of saline wastewater contaminated with hydrocarbons by the photo Fenton process Environment Science Technology 2004 38 S 1183 1187 Mortimer Charles 1987 Chemie Das Basiswissen der Chemie 5 Stuttga
227. il TOC vollst ndig mineralisieren was zugunsten der Vermeidung einer unbeherrschbaren Bildung von Transformationsprodukten das Ziel von Abwasseraufbereitungen mittels Ozon darstellt Im Realfall muss man aufgrund massentransportabh ngiger Vorg nge v a in wenig verschmutzten Abw ssern eher mit einem Verh ltnis von 2 3 zu 1 auf Seiten des Ozons rechnen Schumacher 2005 Zus tzlich sollte eine sog Ozonflotation als Druckbeh lter ausgef hrt sein um die M glichkeit zu haben aus Aminoverbindungen entstandenen Schaum berlagern zu k nnen und somit eine Drainage zu forcieren Um effiziente Abbauvorg nge gew hrleisten zu k nnen sollte gem dem Gesetz von Henry eine Ozonkonzentration nahe der L slichkeitsgrenze von 20 mg l mal dem herrschenden Absolutdruck angestrebt werden Kurzmann 1993 Eine Betrachtung des Bunsen schen Adsorptionskoeffizienten f r Ozon kann hier wegweisend sein Ziel einer Oxidation mittels Ozon ist es s mtliche Organik und damit auch den Anteil an potentiellen Schadstoffe zu mineralisieren d h in Wasser und Kohlendioxid umzuwandeln um die Entstehung etwaig gef hrlicher Metabolite auszuschlie en Mikrobiologische Wirksamkeit von Ozon Es gibt diverse bereits publizierte Abt tungsversuche die unter Anwendung von Ozon durchgef hrt oder einen Vergleich von Ozon und anderen Desinfektionsmitteln beschreiben Tabelle 10 z B stellt einen solchen Vergleich zwischen Ozon und Chlor dar Wie bereit
228. in mit den angegebenen Ozonkonzentrationen Noll 2006 Tabelle 13 Desinfektionstest mit unterschiedlichen Durchfl ssen und Stromst rken Porembra 2005 Tab 1 Desinfektion von E coli beimpftem Wasser Vorkultur mit 9x107 ml mit Hilfe der Desinfektionseinheit CONDIAPURE M Keimzahl N m CONDIAPUREM CONDIAPUREM __CONDIAPUREM 601m 1201h 2001 h Stom 0 400 000 400 000 400 000 Strom 2A 63000 64500 12500 Strom 4A 105 595 545 Strom 6 A lt 10 lt 10 lt 10 Stom 8 A lt 10 lt 10 lt 10 Strom 10 lt 10 lt 10 lt 10 In der Tabelle sind jeweils die koloniebildenden Einheiten aufgef hrt die Nachweisgrenze wurde auf 10 KBE festgelegt Ab 6 Ampere Strombeaufschlagung konnte bei allen Volumenstr men Minimum eine Dezimierung um 4 log Stufen festgestellt werden Gerade aufgrund obiger Untersuchungen l sst sich vermuten dass die Desinfektionswirkung auf Oberfl chen ebenfalls ausreichend ist Theoretische Grundlagen 2 5 2 CVD Verfahren zur Diamantherstellung nd Charakterisierung der Diamantschicht Im Folgenden wird auf die Charakteristik der Diamantbeschichtung der eingesetzten Elektroden eingegangen Im Punkt 3 1 wird n her auf den Fertigungsablauf von den Rohmaterialien bis zum endgefertigten beschichteten und einsatzf higen Elektrodenstack eingegangen Graphit als eine der m glichen Kohlenstoffmodifikationen sp findet bereits seit Jahrzehnten gro technisch Einsatz als Elektrodenmaterial Jedoch
229. iner Prim rspule eines Elektromagneten ein magnetischer Fluss erzeugt welcher wiederum eine Induktionsspannung zur Folge hat Der Ferritgehalt wird durch die Messung der nderung des magnetischen Flusses also der induzierten Spannung bestimmt Hieraus ergibt sich nach der Auflage des Tasters Anode und Kathode eine direkte Anzeige des Ferritgehaltes an der Oberfl che des Metalls 68 Material und Methoden Verwendet wurde das FERITSCOPE der Firma Fischer Deutsches Institut f r Normung e V DIN 1995 3 3 4 Gravimetrie Zur Ermittlung von etwaigen Gewichtsdifferenzen wurde beim Materialtest eine handels bliche digitale Analysenwaage mit 4 Nachkommastellen genutzt Diese arbeitet wie jede andere digitale Analysenwaage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation zur R ckf hrung der Waagschale auf die urspr ngliche Position wenn diese belastet wird Der notwendige Strom der in einen Elektromagneten gespeist wird ist direkt proportional zur aufliegenden Masse Vor den W gungen werden die Materialproben sowohl vor als auch nach dem Materialtest mit lfreier Druckluft Pinseln und staub abrieb und fusselfreien T chern gereinigt und in einem Standard Exsiccator mit Silicagel ber 2 Stunden endgetrocknet Ott 2004 3 3 5 Oberfl chenrauigkeitsmessung Tast Schnitt Verfahren F r die Bestimmung der Oberfl chenbeschaffenheit der Materialstreifen wiederum vor und nach dem mMaterialte
230. inigung mit in diesem Fall Salzs ure nicht vollst ndig entkalkt bzw wieder vollst ndig f r die Ozonproduktion reaktiviert werden k nnen Mangold et al 2011 Daraus kann wiederum gefolgert werden dass eine Verblockung und oder Alterung der Membranen die Ozonproduktion eines BDD Stacks stark herabsetzten kann und dies nur durch einen konsequenten turnusgem en Tausch kompensiert werden kann 5 2 Konzeption und Konstruktion des Reaktorgeh uses 5 2 1 Bewertung der Versuche auf Laborebene Durch den Einsatz des in den Ergebnissen beschriebenen optisch zug nglichen Reaktorgeh uses werden die grundlegenden Versuche zur hydraulischen Optimierung erm glicht Diese optische Zug nglichkeit erweist sich gerade bei den kinetischen 176 Diskussion der Ergebnisse Untersuchungen als sehr g nstig z der Effekt des schen Sto es auch visuell bewertet werden kann Zudem ist die Kontrolle der F rbung Tr bung bei Suspensionsversuchen als positiv zu werten Versuche zur Performancesteigerung Bei rein volumenstrombezogener Betrachtung der Versuchsergebnisse erscheint die berschreitung von 4 l min als sehr sinnvoll da bis dorthin eine klare Effizienzsteigerung erreichbar ist bertr gt man diese berlegung auf die dimensionslose Reynoldszahl ist ersichtlich dass gerade im unteren Leistungsbereich durch die Erh hung der Turbulenz Stromausbeuten erreicht werden k nnen die sogar deutlich ber den Herstel
231. intrinsische Widerspr che wie z B bei der langhaltenden Wirkung contra Persistenz oder Verbleib der Chemikalie im Produkt Die Auswahl eines Desinfektionsmittels ist also immer an einen Anforderungskatalog gebunden der wiederum exakt der Desinfektionsaufgabe angepasst werden muss Da es z Zt kein Allheilmittel gibt muss immer ein Kompromiss aus beispielweise Abt tungswirkung und Umweltvertr glichkeit gefunden S dzucker AG 1998 Auf Anwenderseite werden teilweise auch Wirkstoffkombinationen eingesetzt um vorhandene Vor und Nachteile einzelner Desinfektionsmittel zu kombinieren und so auf eine verbesserte Wirkungsintensit t und qualit t sowie Material Umwelt Vertr glichkeit zu erhalten Bodenschatz 2006 Auch Eigenschaften wie die sog Tiefenwirkung die Oberfl chenaktivit t des jeweiligen Mittels die chemische Stabilit t die Nachhaltigkeit der Wirkung und die Verz gerung einer m glichen Resistenzentwicklung k nnen hierdurch verbessert werden In einem weiteren Kapitel s 2 3 wird genauer auf die einzelnen Desinfektionsmittel eingegangen vorweg werden jedoch in Tabelle 2 einige Vertreter nach ihrer chemischen Orientierung geordnet Tabelle 2 Einteilung der Desinfektionsmittel nach ihrer chemischen Reaktion S dzucker AG 1998 Chemische Orientierung Beispielhafte Vertreter Alkalisch Aktivchlor Neutral Formaldehyd QAV Wasserstoffperoxid Sauer Peressigs ure Halo
232. ion des Volumenstroms 1 3 4 und 6 I min und des angelegten Elektrolysestromes 0 5 2 5 und 5 0 A erm glicht einen direkten Vergleich der einzelnen Betriebszust nde ber deren lineare Auftragung Wie in Abbildung 65 ersichtlich ist kommt es durch die Steigerung der Str mungsgeschwindigkeit zu einer Leistungssteigerung W hrend die Ozonleistungen bei 0 5 A Stromvorgabe bei allen Volumenstr men einheitlich bei ca 0 04 g h liegen driften die Werte bei 2 5 A und vor allem bei 5 A stark auseinander Zwischen 3 und 4 l min gibt es sogar einen maximalen Leistungsunterschied von ca 25 Durch die Berechnung der Reynoldszahl im Inneren des Reaktors bei den unterschiedlichen Volumenstr men l sst sich eine eindeutige Abh ngigkeit der Elektrodenperformance von dieser dimensionslosen Kennzahl ableiten s Abbildung 66 Ozonleistung in Abh ngigkeit vom Volumenstrom variabler Strom und Volumenstrom Temperatur 17 9 C Leitf higkeit ca 620 uS cm 6 l min y 0 0504x 0 0034 i R 0 9958 41 0 0482x 0 0068 R2 0 995 3 y 0 0357x 0 0217 R2 0 9995 1 U min y 0 0316x 0 0173 R2 0 9913 E 2 3 2 H 3 0 Strom 1 l min variabler Strom W3 l min variabler Strom 44 l min variabler Strom variabler Strom Abbildung 65 Ozonleistung in Abh ngigkeit vom Volumenstrom 106 Ergebnisse Ozonleistung in Abh ngigkeit von
233. ion unterworfen wurden Des Weiteren ist die Risiko und Verfahrensbewertung sowohl f r die Markteinf hrung als auch unter Gesichtspunkten der Arbeits und Prozesssicherheit unabdingbar Die Verdr ngung des relativ langlebigen gasf rmigen Ozons nach dem Desinfektionsschritt erscheint hierbei durch das Vorspannen des Tanks vor der n chsten Bef llung bewerkstelligbar Wirtschaftlichkeitsberechnungen gegen ber den momentan verwendeten Chemikalien ergeben zudem eine im Gro en und Ganzen vergleichbare finanzielle Belastung f r den sp teren Technologienutzer Im Fazit werden neben verfahrenstechnischen Grundlagen einer CIP Desinfektions Station auf Basis der verwendeten Ozontechnologie auch Empfehlungen f r den langfristig stabilen Elektrodenstackbetrieb gegeben Ebenfalls wird auf die M glichkeit von Anschluss projekten in anderen Bereichen der Lebensmittel und Pharmazeutikaherstellung eingegangen The following thesis is concerned with the surface disinfection in the beverage sector using electrolytically generated ozone The environmentally friendly disinfectant is produced via boron doped diamond electrodes directly from the water itself dissolved in it and distributed into brewery tanks by special cleaning fittings The goal of research is to design a complete CIP disinfecting station which purports to be a substitute for the currently used standard doses of persistent chemicals In basic experiments both the de
234. ische bei der das thermodynamische Gleichgewicht zwischen Sauerstoff und Ozon durch Temperaturerh hung zugunsten des Ozons verschoben wird Aufgrund der niedrigen Ausbeuten verbunden mit einem hohen Energieaufwand kommt das Verfahren jedoch trotz seiner Einfachheit und der Vakanz von Nebenprodukten nicht im technischen Ma stab zum Einsatz Leitzke 2003 Die photochemische Herstellung von Ozon basiert auf der Einwirkung von UV Licht mit einer Wellenl nge von ca 185 nm auf gasf rmigen auch gel sten Sauerstoff Wichtig ist die Einhaltung dieser Wellenl nge da ab ca 220 nm die Hartley Bande und somit die Ozonzerst rung Quenchen beginnt Trifft ein energiereiches Photon auf die Doppelbindung des Sauerstoffmolek ls wird dies homolytisch gespalten und es erfolgt wie bei der stillen Entladung eine Reaktion des atomaren Sauerstoffs mit einem weiteren Sauerstoffmolek l Gerade im Laborbereich z B bei der Herstellung von Reinstwasser wird diese Technik wegen der geringen Investitionskosten und der einfachen Handhabung gerne verwendet obwohl sie nur zur Herstellung relativer geringer Ozonmengen mittels hohen energetischen Aufwands gereicht Bei der photochemischen Ozonerzeugung direkt in der Gasphase k nnen zudem auch Stickstoffverbindungen entstehen Bendlin et al 2004 Die Anregung zirkulierender Luftstr me ber y Strahler wie z wird als die radiochemische Ozonerzeugung verstanden Diese wegen der thermodynamisc
235. itf higkeit auf die Ozonproduktion wird durch Versuche mit einem 1 g h Elektrodenstack in W ssern unterschiedlicher Leitf higkeit ermittelt Hierzu wird je nach Bedarf Schrobenhausener Stadtwasser der Leitf higkeit 510 uS cm mit vollentsalztem Wasser 10 uS cm in einem Pufferbeh lter verschnitten und im Durchlauf ber die 90 Ergebnisse Demonstrationsanlage ausgestattet mit einem rechteckigen Reaktor und einem Elektrodenstack mit der Nominalleistung von 1 g h geleitet ber einen Leistungstest bei 10 15 und 20 A bei den konstanten Parametern Temperatur Volumenstrom und Druck werden die Ozonleistungen bei unterschiedlichen Leitf higkeiten ermittelt Die Kontrolle dieser Leitf higkeiten geschieht mit dem im Demonstrator verbauten Leitf higkeitsmessger t wobei die Angabe einer Mittelung und Rundung auf 10 uS cm ber den Versuch entspricht Ozonleistung g h bei unterschiedlichen Leitf higkeiten Temperatur 19 2 C Volumenstrom 2 m h Druck 0 2 bar y 0 019x 0 0027 R 0 9999 y 0 0187x 0 0165 R 0 9999 2 5 B 0 N 0 0188x 0 045 R 0 9986 y 0 0189x 0 0648 R 0 9995 Stromst rke A 10 uS cm 190 uS cem 400 uS cm 510 uS cm Abbildung 39 Ozonleistung bei verschiedenen Leitf higkeiten Abbildung 39 zeigt dass die Ozongenerierungsleistung mit zunehmender Leitf higkeit abnimmt So werden bei reinem Lei
236. kript Dispere Verfahrenstechnik Freising Weihenstephan Lerhstuhl f r Maschinen und Apparatekunde TU M nchen 1992 Speckle B 2001 Streit ums Bier in Bayern Wertvorstellungen um Reinheit Gemeinschaft und Tradition s l Wasmann Verlag 2001 S 120 Staehlin J und Hoign J 1985 Decomposition of ozone in water in the presence of organic solutes acting as promoters and inhibitors of radical chain reactions Environmental Science and Technology 1985 19 S 1206 1212 Staehlin J und Hoigne J 1983 Reaktionsmechanismen und Kinetik des Ozonzerfalls in Wasser in Gegenwart organischer Stoffe Vom Wasser 1983 61 S 337 345 Literaturverzeichnis Stasinakis A S 2008 Use of selected advanced oxidation processes AOPs for wastewater treatment Global NEST Journal 10 2008 3 S 376 385 S dzucker AG 1998 Handbuch Erfrischungsgetr nke Teil 2 Abschnitt 4 4 Mannheim s n 1998 S 1 17 SWAN Analytics 2010 Betriebsanleitung AMI Codes Il Riedikon Uster SWAN Analytics 2010 SWAN Analytics 2006 Bedienungsanleitung Chematest 20 70 065 620 Bedienungsanleitung Riedikon Uster s n 2006 Tamm U 2002 Beseitigung von organischen Schadstoffen in Abgasen durch Oxidation mit Ozon Dissertation Halle Wittenberg Martin Luther Universit t 2002 S 10 ff Thalmann P 2001 Faktenblatt chemische Desinfektion Hrsg Kontrollstelle f r Chemie und Biosicherheit KCB des K
237. ktroden BDD mit Herstellungsprozess Die DIACHEM BDD Elektrode bzw der BDD Elektrodenstack entspricht mehreren Elektroden als Einheit der CONDIAS GmbH Itzehoe bildet das Herzst ck des Ozonreaktors An ihr laufen die elektrochemischen Prozesse die im Theorieteil bereits vorgestellt wurden ab Im Folgenden wird nun auf die Herstellung der diamantbeschichteten Elektroden und deren Herstellungsprozess bis zur Stapelung zu einem so genannten Elektrodenstack eingegangen alles folgende Trepte 2011 Das Ausgangsmaterial f r die Elektroden ist ein eigens konstruiertes Streckgitter aus dem Halbmetall Niob das durch Perforation eines Niobblechs bestimmter Dicke und das Ziehen dieser L cher bis zur finalen Rautenform entstehen Daraufhin erfolgt das Walzen dieses Streckgitters bis ein gewisser Auflagewinkel zur Membran entstehen kann der sich im Optimalfall an der sp teren Wasserqualit t orientiert Als n chstes werden die so genannten Stromfahnen angeschwei t die den Strom bergang auf die Verbindungsschrauben und die Titandurchf hrungen erm glicht Um einem Verzug der Einzelelektroden entgegenzuwirken werden die fertig geschwei ten und geschliffenen Platten vorgegl ht um intrinsische Spannungen zu l sen in der Metallurgie spricht man vom Spannungsarm Gl hen die Kombination aus Zeit und Temperatur sorgt f r eine komplette Entspannung des Werkst cks Der letzte Punkt bedeutet f r die Reaktorfertigung seitens ESH dass nur mit
238. l cyclical systems the spray ball turns out to be the more effective cleaning fitting in comparison to the surge cleaner The confirmation of the surface disinfection effect of ozone is carried both on microbiological tests in special validation constructions in the laboratory and actually in use in a brewery tank For this proves the use of a compared with standard microbiology rapidly feasible ATP bioluminescence test is very practical and sufficiently accurate Comparing three online sensors for dissolved ozone the colorimetric sensor arises as the cheapest alternative In an extensive material analysis not only the compatibility of common piping and sheet materials is tested but also common seal elastomers were subjected to an ozone exposure Furthermore the included risk assessment process is suitable for the market launch as well as essential in terms of work and process safety The displacement of the relatively long lived gaseous ozone for the disinfection step can be managed by preloading the tank with CO2 before refilling Cost calculations in comparison with currently used chemicals also show a broadly similar financial burden for future technology users Finally the conclusion in addition to the procedural foundations of a CIP disinfecting station on the basis of the used ozone technology recommendations for the long term stable electrode stack operation are made too The view on future applications deals with the possibility of othe
239. lerangaben liegen Diese Leistungsbereiche sind jedoch aufgrund des hohen Preises f r die Diamantbeschichtung noch uninteressant Im blichen Leistungsbereich der ber eine Stromdichte zwischen 50 und 150 mA cm Projektionsfl che definiert wird erkennt man eine deutliche Steigerung der Stromausbeute im turbulenten Str mungsbereich der vor allem im unteren Leistungsbereich negative Formen annimmt Folglich sollte bei einer gew hnlich dimensionierten Elektrode in jedem Fall eine Reynoldszahl gt 2320 angestrebt werden wobei eine erhebliche Steigerung nur zu marginalen Ausbeutezugewinnen f hrt Dem wurde auch durch die Normierung des Volumenstroms auf 4 I min f r die folgenden Laborversuche Rechnung getragen Beziehtt man in die Betrachtung der Elektrodeneffizienz bei unterschiedlichen Anstr mwinkeln die Konfidenzintervalle der einzelnen Messungen mit ein so ist der Unterschied zwischen der senkrechten 90 und parallelen 0 Elektrodenstellung nicht ausschlaggebend Sowohl bei relativ neuer als auch bei bereits gealteter Elektrode sind die Ergebnisse in hnlichen Bereichen Allein ein Winkel zwischen diesen beiden Extremf llen wird aufgrund des deutlicheren Unterschiedes ausgeschlossen F r die erste Reaktorstudie wird die senkrechte Anstr mung als Optimum ausgew hlt Bei Ausnutzung des Carnot schen Effekts resultiert eine deutlich h here Ozoneffizienz gegen ber der D senarmatur mit konischem Ausfluss Gerade
240. lkung nur verz gert Dieser Trend wird ebenfalls durch die Ozonleistungsentwicklung ber die Betriebsdauer s 4 1 6 best tigt 175 Diskussion der Ergebnisse Im Dauerbetrieb ergeben sich bei BDD Elektroden die zur Trinkwasseraufbereitung eingesetzt werden erhebliche Leistungsverluste Abh ngig von der Leitf higkeit des Wassers setzen diese innerhalb von Wochen bis Monaten ein Auff llig ist hierbei die starke Diskrepanz zwischen niedrigen und hohen Stromdichten Gerade im Bereich der hohen Stromdichten differieren die Werte neuwertiger im Vergleich zu l nger genutzten Elektroden mit 50 60 Unterschied stark w hrend im niedrigen Stromdichtenbereich keine bzw nur geringe Leistungsabsenkungen bemerkbar sind Ein Grund hierf r kann ebenfalls die Einlagerung von Kalk in die Membran und in die Arbeitszonen zwischen Membran und Elektrode sein Becker et al 2008 Da sowohl Carbonate als auch Hydrogencarbonate als effektive Radikalf nger gelten reagieren viele der eigentlich f r die weitere Reaktion zum Ozon bestimmten Hydroxylradikale bereits vorzeitig ab Belke 2010 Auch die r umliche Verblockung der Arbeitszonen also der elektrochemisch g nstigsten Bereiche zwischen Elektrode und Protonenaustauschmembran kann eine negative Auswirkung auf die Ozonmassenbilanz haben Werden die aktiven Zentren Kontaktstelle zwischen Membran und Elektrode von einer Kalkschicht umgeben kann z B gel ster Sauerstoff nicht mehr i
241. ls auch beim Zerfall von Ozon entstehen Hydrogencarbonat Gleichung 70 und Carbonat lonen Gleichung 71 wirken als sogenannte Radikalf nger f r zumindest einen Teil der gerade erst generierten Hydroxyl Radikale und vermindern somit die Desinfektionsleistung der Elektroden Kraft et al 1999 Hoigng et al 1977 OH e HCO gt OH HCO Gleichung 70 OH er CO gt OH CO Gleichung 71 Die Festlegung von definierten Polarisationsroutinen also symmetrischen beide Elektrodenseiten gleichberechtigt und asymmetrischen zeitlichen Abst nden zwischen den Umpolungen kann die Elektrodenleistung ber ein bestimmtes zeitliches Intervall aufrechterhalten Nach Ablauf dieser Frist die an der Klemmspannung festgemacht wird soll die Behandlung des Elektrodenstacks mittels organischer oder mineralischer S uren Abhilfe schaffen und den Grundzustand der Elektrode wiederherstellen Die exakte Vorgehensweise wird vor den Ergebnissen dargestellt und basiert auf der Einf hrung eines exakt festgelegten Leistungstests der einen berblick ber die Elektrodenperformance gibt Leistungstest zur Ermittlung der Elektrodenperformance Bei einem sog Leistungstest wird die Ozonleistung in Abh ngigkeit von der angelegten Stromst rke bestimmt Dazu wird der Elektrodenstack egal welcher Herkunft oder welcher Leistungsf higkeit mit Gleichstr men unterschiedlicher H he polarisiert und in einem bestimmten Intervall wird zwischen Anode und Kathode
242. lschrauben an den Reaktorventilen erfolgen s Abbildung Anhang 18 Danach k nnen die Elektrodenstacks durch Anklicken und ffnen der einzelnen Einstellungsfenster zugeschaltet werden s Abbildung Anhang 11 Bei Automatikbetrieb gen gt das Einschalten im Automatikbetrieb im Handbetrieb kann der gew nschte Stromwert direkt vorgegeben werden Im Automatikbetrieb muss zus tzlich die automatische Rampe Anwahl Parameter s Abbildung Anhang 12 gt Parameter Auto Desi die die zum Volumenstrom proportionale Stromvorgabe steuert justiert werden s Abbildung Anhang 13 Hierzu erfolgt die Angabe des Minimal und Maximalstromes und des Volumenstromes der f r die resultierende Gerade den maximalen Ordinatenbereich angibt Diese Variante ist der Tatsache geschuldet dass aus allen Leistungstests lineare Abh ngigkeiten der Ozonleistung zur Stromvorgabe resultieren Der Mindestdurchfluss ist eine Schutzfunktion die das Zuschalten der Elektrode in der Automatik ohne gen genden Volumenstrom verhindern soll Die Rampensteigung gibt die Geschwindigkeit der Stromerh hung und erniedrigung bei Einschalt und Umpolungsvorg ngen vor sie dient als reine Schutzvorkehrung zur Verhinderung von Spannungs berschl gen bei zu rapiden nderungen der Stromvorgabe Als Administrator ist es im Bedienfeld Umpolzeit m glich die Umpolintervalle zu ndern hier kann auch die momentane Polung und deren Laufzeit abgelesen werden s Abbildung An
243. lyt Gegenelektrode Abbildung 25 Komponenten der Sensorzelle EC 31330 Hach Ultra Analytics GmbH 2008 3X8 210 der Firma Mettler Toledo Der Sensor 3X8 210 der Firma Mettler Toledo besteht aus einer Platinkathode und einer Silberanode die hinter einer gaspermeablen Membran sitzen Durch die Spannungsdifferenz erzeugt das eindringende Ozon den messbaren Stromfluss der wiederum direkt proportional zur gel sten Ozonkonzentration ist Der Volumenstrom des Probeflusses durch die Durchflusszelle kann bei diesem Sensor zwischen 6 und 30 l h eingestellt werden Mettler Toledo AG 2006 AMI Codes 1 der Firma SWAN Analytics Der AMI Codes Il Analyzer der Firma SWAN Analytics ist ein Komplettsystem bestehend aus Mess und Regelektronik Photometer Durchfluss berwachung Reaktionskammer Reagenzdosiereinheit und Reagenzbeh ltern Das System arbeitet automatisch und und 67 Material und Methoden basiert auf der Ozondetektion anhand der DPD Methode Die komplette Fluidik wird in Abbildung 26 dargestellt und im Folgenden beschrieben SWAN Analytics 2010 Die Probe tritt ber den Probeneinlass l in den berlaufkopf D ein flie t durch einen Filter H und ein Str mungsventil V Ein Teil der Probe flie t ber den berlaufkopf F in den Ablauf R um einen konstanten Wasserstand zu gew hrleisten Ein weiterer Teil flie t ber das k rzere Rohr E und den Flusszellenblock K in die Mischkammer G Hier werden die
244. m Drehzahl Ka 2 gt 5 5 Es 2 2 v E E EI S 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Volumenstrom m h Druckverlust Einzelvolumenstrom Reaktor 1 Einze volumenstrom Reaktor 2 Einzelvolumenstrom Reaktor Drehzahl Pumpe Abbildung 101 Betriebszust nde Spr hkugel Tabelle 33 und 34 Wertetabelle Spr hkugel links und Schwallreiniger rechts Volumenstrom Druckverlust Einzelvolumenstr me m n Drehzahl bar 1 2 3 Pumpe 4 1 0 0 2 0 3 0 4 0 3 24 Volumenstrom Druckverlust Einzelvolumenstr me m h Drehzahl 2 0 0 2 0 6 0 7 0 6 26 m n bar 1 2 3 Pumpe 3 0 0 3 1 0 1 1 0 9 29 10 03 13 14 13 1 0 0 2 0 3 0 4 0 3 25 5 0 04 1 6 1 7 1 6 37 2 0 0 3 0 6 0 7 0 6 28 6 0 0 5 2 0 2 1 1 9 43 3 0 0 4 1 0 1 1 0 9 33 7 0 0 6 2 3 2 4 2 3 48 4 0 0 5 1 3 1 4 1 3 39 8 0 0 8 2 6 2 8 2 6 53 5 0 0 7 1 6 1 7 1 6 46 9 0 0 9 3 0 3 1 2 9 58 10 0 1 1 3 3 3 5 3 2 64 6 0 10 20 21 19 11 0 1 3 3 7 3 8 3 5 70 7 0 1 3 2 3 2 4 2 3 62 12 0 1 5 4 0 4 1 3 9 75 8 0 1 6 2 6 2 8 2 6 70 13 0 1 8 4 3 4 5 4 2 81 9 0 20 3 0 31 2 9 77 14 0 2 0 47 4 8 4 5 87 150 23 Se 51 43 92 10 0 2 4 3 3 3 5 3 2 85 16 0 2 6 5 3 5 5 5 2 99 11 0 2 9 3 7 3 8 3 5 93 16 2 2 7 5 4 5 6 5 3 100 11 8 3 4 3 9 4 1 3 8 100 Abbildung 101 und Abbildung 102 zeigen die aufgenom
245. m steht Hydroxidionen und Wassermolek le k nnen nun mit diesen L cken zu Hydroxylradikalen reagieren Leiterband Elektronen die ebenfalls bei der Bestrahlung entstehen k nnen durch die Reaktion mit molekularem Sauerstoff Superoxidradikale bilden die wiederum in der Lage sind zusammen mit rekombiniertem Wasserstoffperoxid Hydroxylradikale zu bilden Crittenden et al 2005 TiO em 0 Ae Gleichung 34 OH e Gleichung 35 e 0 Gleichung 36 2 4 4 Messprinzipien der Ozon Online Sensorik F r die Online Ozonmessung also eine kontinuierliche Echtzeit Messung die mittels elektronischen Signals an die jeweilige Auswerteeinheit weitergegeben wird stehen mehrere M glichkeiten zur Verf gung von denen zwei im Folgenden genauer erl utert werden Die Gr nde f r die Vorauswahl der Messprinzipien sind zum einen deren bisherige Marktdurchdringung im Trinkwassersektor zum anderen aber auch der Anforderungskatalog der Applikation Oberfl chendesinfektion Hierzu z hlen mitunter auch Messgenauigkeit und Messbereich Im Vergleich zur Handmessung birgt die Online Messung den Vorteil eines minimierten Betreuungsaufwandes und der automatischen Datenaufzeichnung Nachweispflicht Zu Beginn der Messung muss der Anwender in der Regel nur einen f r den Sensor geeigneten bzw vorgegebenen Probefluss einstellen der weiter unten bei den jeweiligen Eigenschaften der Sensoren mit aufgef hrt ist Die Ozonsensoren 3 8
246. ma STABWN Bewertungs Probe 1 Probe 2 Probe 3 kriterien Optik Gesamtheit unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Ferrit Mittelwert 0 15 0 17 0 18 Oberfl che Spr digkeit Ferrit STABWN Ferrit Mittelwert 0 015 Farbe Glanz Auff lligkeiten Ferrit STABW Oberfl che Mittelwert Differenz Spr digkeit Farbe Glanz prozentuale Differenz Auff lligkeiten werkstofftypisch Keine Auff lligkeiten au er einer gelb verf rbten Stelle Bearbeitungsfehler Verzunderung Anhang Probe 1 Rz nachher PVDF V A 100 ppmh Probe 2 2 nachher Gravimetrie 9 statistischer Wert Phase Beschreibung Probe 1 Probe 2 Probe 3 Probe 3 B Ra nachher statistischer Wert Oberfl chenrauhigkeit um Probe 1 Probe 2 Masse Mittelwert 34 0959 34 3132 34 4715 Ra Mittelwert 0 022 0 024 Ra STABWN 0 004 0 007 Rz Mittelwert 0 262 0 309 unbehandelt Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00024 34 0957 0 00021 34 3128 0 00018 34 4713 R STABWN 0 049 0 099 Rnax Mittelwert 0 327 0 448 Rmax STABWN Ra Mittelwert 0 062 0 178 Masse STABWN 0 00009 0 00006 0 00005 Ra STABWN Ozonbehandlung ca 100 ppmh Mittelwert Differenz 0 0002 R Mittelwert R STABWN prozentuale Dif
247. mantbeschichtung Anz chtung zugef hrt werden Anz chtung und Besonderheiten der HF CVD Anlagen der Condias GmbH In den HF CVD Anlagen Hot Filament Chemical Vapour Deposition werden stromdurchflossene Wolframdr hte auf hohe Temperaturen gebracht die dann ihrerseits eine teilweise Abscheidung eines oder mehrerer am Substrat vorbeigef hrter Speisegase auf selbigem bewirken Es kann durch die hohen Temperaturen entweder zu chemischen Reaktionen zwischen den zugef hrten Substanzen oder zur Zersetzung und anschlie enden Abscheidung der Verbindungen als feste Produkte kommen Nicht in Reaktionen involvierte Substanzen m ssen wieder abgef hrt werden Das HF CVD Verfahren wird haupts chlich in der Halbleiterindustrie angewendet Ullmann 1976 Choy 2003 Das Speisegas besteht zu einem hohen Prozentsatz aus Wasserstoff daneben bildet Methan aus dem sich sp ter der Diamant entwickelt eine weitere Komponente 1 2 Vol als zus tzlicher Bestandteil der in der sp teren Diamantschicht f r die Leitf higkeit sorgt ist Bor das mit einem Anteil von 0 2 0 3 Vol im Speisegas vorhanden In der sp teren Diamantschicht finden sich zu ber 99 999 sp hybridisierte Kohlenstoffatome der restliche Massen und Volumenanteil entf llt auf das Bor Bei einer Temperatur von ca 700 C die ber W rmebildkameras berpr ft wird scheiden sich eben aktivierte Methylradikale aus dem ab und wachsen als Diama
248. menen Kennlinien der Pumpe bei der jeweils eingesetzten Armatur Wertetabellen s Tabelle 33 und 34 Grunds tzlich sind die Einzelvolumenstr me der Reaktoren bei voller ffnung der Scheibenventile im Vorlauf fast identisch Bei Einsatz der Spr hkugel ist ab 11 mh akustisch kein Unterschied mehr festzustellen was bedeutet dass der Volumenstrom ausreicht um alle Fl chen benetzen zu k nnen Der Maximalvolumenstrom liegt bei Verwendung dieses Pumpentyps bei 16 2 Der Energieeintrag in das System ist bei Verwendung des Schwallreinigers deutlich h her als bei der Spr hkugel was zu einem maximal erzeugbaren Volumenstrom von 11 8 mh f hrt Durch den h heren Druck ergibt sich tendenziell eine bessere Reinigungsleistung ein Effekt der f r die Desinfektion bei den sp teren Riboflavin aseptische Reinigung und Mikrobiologie Desinfektion Versuchen genauer untersucht wird 141 Ergebnisse Betriebszust nde Schwallreiniger Temperatur 20 C Sumpfvolumen 0 5 m 90 80 r 70 60 50 Drehzahl 40 30 20 Einzelvolumenstr me m h Druckverlust bar D 10 Volumenstrom m h Druckverlust Einzelvolumenstrom Reaktor Einze volumenstrom Reaktor 1 Einze volumenstrom Reaktor 2 Drehzahl Pumpe Abbildung 102 Betriebszust nde Schwallreiniger Aufgrund der Ergebnisse und der vom Hersteller mindestens verlangten 11 8 m h wird ein Volumenstrom von 12 mh bei einem
249. mische Funktion zeitlich vermutlich nur bedingt weiterf hrbar Darauf wird jedoch nicht n her eingegangen weil l ngere Ozonexpositionen in der Praxis vor allem bei einer CIP Reinigung nicht vorkommen sollten und auch nicht angestrebt werden Da logarithmische Funktionen jeweils zwei Parameter beinhalten gestaltet sich der direkte Vergleich der Funktionen als komplex Hinzu kommt noch dass ein vermutetes Offset entspricht in diesem Fall einer Verschiebung der Kurven nach unten und kommt zu Stande da die Diamantelektroden bei sehr geringen Stromst rken noch kein oder nur sehr wenig Ozon erzeugen auf diese Weise nicht bestimmt werden kann Durch Berechnung der Ozonkonzentrationen dreier frei gew hlter Zeitpunkte entsteht bei Auftragung der Ozonkonzentration gegen die verwendete Stromst rke statt der Elektrolysezeit Abbildung 138 In Tabelle 38 sind die berechneten Werte einsehbar Ozonaufbau berechnete Werte Ozonkonzentration mg l 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Stromvorgabe 20 Ozonaufbau 40 min Ozonaufbau e 60 min Ozonaufbau m gl Verlauf bei kleinen Stromdichten Abbildung 138 Berechnete Werte Ozonaufbau 185 Diskussion der Ergebnisse Tabelle 38 Wertetabelle f r Abbildung 138 Coen mg l f r Stromvorgabe Funktion t 20 t 40 60 80 0111 In x 0 846 0 118 0 126 0 130 160 0 360 2
250. mmenhang zwischen der Ladung Strom pro Zeiteinheit der lonenanzahl der Wertigkeit besagter lonen und der Elementarladung dargestellt TU M nchen 2001 Ose 2003 Q I t N z e Gleichung 53 Die Teilchenanzahl N kann durch die Einf hrung der Avogadrokonstante N in die Stoffmenge n transformiert werden s Gleichung 54 Das Produkt aus Elementarladung und Avogadrokonstante ist die Faradaykonstante s Gleichung 56 Daraus und aus dem elementaren Faraday schen Gesetz Gleichung 57 nach dem die durch einen Elektrolyten transportierte Ladung proportional zur abgeschiedenen Stoffmenge ist ergibt sich die f r alle weiteren Berechnung zu Stromausbeute etc grundliegende Gleichung 58 Mittels der molekularen Masse kann aus dieser Gleichung auch direkt die abgeschiedene Masse errechnet werden TU M nchen 2001 Ose 2003 NN mn Gleichung 54 43 Theoretische Grundlagen 1023 1 N 6 022 10 Gleichung 55 F N e 96485 3399 2 Gleichung 56 5 Gleichung 57 SE Gleichung 58 F r die Elektrolyse an BDDs spielt die Beweglichkeit der abzuscheidenden lonen keine allzu gro e Rolle der zur ckzulegende Weg der im berfluss vorhandenen Wassermolek le oder besser gesagt der Hydroxidionen und Protonen hat keinen Einfluss auf die Elektrolysegeschwindigkeit die sog Ladungstr gerdichte also die Zahl der Ladungstr ger pro Volumen ist hierf r zu hoch Diese Voraussetzung gilt jedoch nur wenn
251. mmenparameters f r Nitrit Obergrenze 0 5 mg l und Nitrat Obergrenze 50 mg l f hren kann Summe aus Nitratkonzentration 50 und Nitritkonzentration 3 jeweils in mg l darf nicht gr er als 1 mg l sein Rothe 2009 Trinkwasserverordnung 2001 2009 Trihalogenmethane Auch f r die sog Trihalogenmethane Chloroform Bromoform Dibromchlormethan Dichlorbrommethan Obergrenze laut TVO 50 ug l die zumeist durch vorhergehende Chlorung entstehen existieren aufgrund ihrer Kanzerogenit t Berechnungsmodelle Sohn et al 2004 THM ug l 1077285 DOC RE on PT Gleichung 15 Organische S uren Aldehyde Durch die Reaktion von Ozon und organischen Bestandteilen kann es anstatt der vollst ndigen Mineralisierung auch zu einer teilweisen Oxidation kommen deren Reaktionsprodukt z B Essigs ure sein kann Wie bereits oben beschrieben k nnen gem dem Criegee Mechanismus auch Aldehyde entstehen Becker 2007 Im Allgemeinen ist eine exakte und rationale Dosierung von Ozon die effizienteste Methode Desinfektionsnebenprodukten in erh hter Konzentration aus dem Weg zu gehen Eine ad quate Vorbehandlung des Wassers kann gleichzeitig das Restrisiko minimieren Meuli 1993 Rothe 2009 2 4 2 Konventionelle Herstellungsverfahren mit Vor und Nachteilen Das Hauptverfahren der Ozonerzeugung ist das Corona Entladungsverfahren auch stille elektrische Entladung genannt das bereits 1857 von Werner von
252. mten Mikroorganismus bei festgelegten Bedingungen z B Temperatur um eine Zehnerpotenz zu verringern Bast 2001 Bei thermischen Verfahren ist die Erhitzungstemperatur mit anzugeben sie wird dem in der Regel als Index hinzugef gt Zum Beispiel entspricht D133 der dezimalen Reduktionszeit bei 133 C Belitz et al 2008 Tr gt man die Absterbekurve eines Mikroorganismus in ein halblogarithmisches Diagramm ein so erh lt man im Optimalfall eine durchgehende Gerade die Ausnahme bilden zumeist Sporen oder Keimagglomerate Der D Wert entspricht hierbei mathematisch gesehen der Steigung der Absterbekurve gerade Der D Wert ist immer abh ngig von der Keimart dem angewandten Desinfektionsmittel oder verfahren dessen Konzentration und vor allem der applizierten Temperatur Evers et al 2008 Hitzeabt tung von Mikroorganismen Bakterium A und Bakterium B Halblogarithmische Auftragung der Auftragung Me daten im Normaldiagramm e N e A p b e D N 4 D Anzahl der berlebenden Zellen 0 10 wit 30 50 0 10 gp 30 50 Abbildung 2 Grafische Bestimmung des D Wertes Fuchs 2006 Die Verwendung des D Wertes als Vergleichsgr e verschiedenster Mikroorganismen ist gerade deswegen von Vorteil da er von der absoluten Keimzahl unabh ngig ist Gerade bei den thermischen Verfahren stellt er ein hervorragendes Ma f
253. n 2007 S 4 f Kiefer M 2002 Zum antioxidativen Verteidigungssystem von Mesembryanthemum crystallinum Dissertation 2002 S 1 6 Kim J Yousef A und Dave S 1999 Application of ozone for enhancing the microbiological safety and quality of foods Journal of Food Protection 9 1999 62 S 1071 1087 Kleiner U 2001 Anwendungen von Ozon im Lebensmittelbereich Fleischwirtschaft 2001 12 S 88 90 Kogelschatz U Eliasson B und Egli W 1999 From ozone generators to flat television screens history and future potential of dielectric barrier discharges Pure Application Chemistry 1999 10 S 1819 1828 Koller W 2008 Grundlagen der Reinigung und Reinigungsverfahren f r medizinisch relevante Bereiche Buchverf A Kramer und O Assadian Hrsg A Kramer und O Assadian Wallh u ers Praxis der Sterilisation Desinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 5 324 f Kraft A et al 1999 Journal Application Electrochemistry 1999 29 S 895 Literaturverzeichnis Kramer A und Assadian O 2008 Wallh u ers Praxis der Sterilisation Desinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 S 633 ff Kramer A und Assadian O 2008 Wallh u ers Praxis der Sterilisation Desinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 S 41 ff Kramer A und Assadian O 2008 Wallh u ers Praxis der Sterilisation De
254. n Hauptanwendungs OF Desi u wendungs Desi P 5 Handdesinfektion gebiete EE Hautdesinfektion Anwendungs ab 18 Optimum 70 05 5 01 5 konzentration 80 ab 90 unwirksam A bergang in die Gasphase offene Systeme schnelle und kaum pH kaum vorhandener r ckstandslose Wertabh ngigkeit Eiwei fehler Trocknung kaum pH Wertabh ngigkeit Anwendungs bezogene Besonderheiten Preis hoch mittel mittel m gliche Desinfektions entfallen entfallen entfallen nebenprodukte Schleimhautreizungen Gef hrdungs Kontaktallergien Toxizit t Toxizit t entfettende N potential Mensch Kanzerogenit t Ver tzungsgefahr Wirkung und Umwelt vollst ndig biologisch kotoxizit t abbaubar m 8 Gass Geschmacksbeein Geschmacksbeein Gef hrdungs R ckst nde in w ssrigen tr chtigungen tr chtigungen potential Produkt Systemen Bune R ckst nde R ckst nde Lagerbest ndigkeit Wirkungsspektrum sehr breit kaum L cken Entz ndlichkeit in Entz ndlichkeit INES Wirkungsl cke Viren sonstige Nachteile und Sporen hoher Eiwei fehler keine Depotwirkung Korrosivit t langsame Wirkung Eiwei fehler Geruch Wirkungsl cke Geruch ungen gende Sporen Eindringtiefe hohe Oberfl chenspannung rapide Besonderheiten des Entkeimungswirkung schnelle und anhaltende 8 anhaltende Wirkung Verfahrens punktuelle Wirkung Entkeimung 19
255. n dass bei den Ozonmessger ten Mettler und Orbisphere sehr sorgsam mit der Einstellung des Probeflusses umgegangen werden muss So wird bei allen folgenden Versuchen darauf geachtet einen Probefluss von 18 I h m glichst genau einzustellen und beizubehalten In Punkto Genauigkeit und Stabilit t kristallisiert sich die berlegenheit des Orbispheres gegen ber den beiden anderen Sensoren heraus Beim SWAN liegt die fehlende Genauigkeit vor allem bei Umpolungen zum Teil an der Fluidik des Messsystems und damit an seiner grunds tzlichen Tr gheit Die Stabilit t des SWANs bersteigt jedoch die des Mettlers bei der Genauigkeit sind die beiden Sensoren hnlich zu bewerten Beim Tr gheitsverhalten m ssen die Versuche getrennt diskutiert werden W hrend beim Vergleich der Anlaufzeiten vor allem der Orbisphere aber auch der SWAN gut abschneiden ben tigt hier der Mettler eine erheblich l ngere Zeit um nach einem Stillstand den korrekten Konzentrationswert zu erreichen Die nderungsraten des Mettlers und des Orbispheres liegen vor allem beim Konzentrationsanstieg im selben Bereich die Elastizit t des Mettlers hat aber beim Abfall den h heren Wert Der SWAN bleibt sowohl bei Anstieg als auch bei Abfall weit hinter den Werten der beiden anderen Sensoren Das Resultat der Verz gerungsversuche ist auf die Messsysteme selbst zur ckzuf hren Die Kolorimetrie bzw Photometrie auf deren Basis der SWAN arbeitet ben tigt eine viel komple
256. n dem Ma e in Richtung der Hydroxylradikale diffundieren was eine der Ozongenerierungsm glichkeiten hemmt Die bereits in der Praxis festgelegte Umpolzeit von 4 Minuten f hrt zu den besten Ergebnissen hinsichtlich der Ozonproduktion und der Verkalkungsaffinit tt des Elektrodenstacks Dies kann darauf zur ckgef hrt werden dass die vorher anodisch polarisierten Elektroden direkt nach jeder Umpolung kathodisch gepolt sind und die Elektrodenumgebung dadurch leicht anges uert wird Haar 2010 Dies macht sich bei h ufigem Umschalten mit kurzen Umpolintervallen von 4 Minuten positiv bemerkbar wirkt sich jedoch bei l ngeren Umpolintervallen von 15 und 30 Minuten nicht mehr auf die Ozonproduktion aus Eine Verk rzung des Umpolintervalls hat aber auch eine Auswirkung auf die Lebensdauer der BDD Elektroden da diese in der praktischen Anwendung nach ca 10000 Umpolintervallen an Leistungsf higkeit verlieren Fryda 2009 Durch die Reinigung mit S ure kann auch ein augenscheinlich stark verkalkter Stack wieder entkalkt und auch die Ozonleistung wieder gesteigert werden Favorisiert wird die mindestens 2st ndige Behandlung mit 1 Salzs ure wobei ein Entkalken mit Essigs ure oder Zitronens ure jeweils Imolar auch zufriedenstellende Ergebnisse liefert Der Austausch der Membranen gegen neue Membranen f hrt zu einer weiteren deutlichen Steigerung der Ozonleistung Dieses Ergebnis zeigt dass die Nafion Membranen durch die Re
257. n Duroplasten gasen fl chtige Komponenten aus die unter Umst nden Lunge und Schleimh ute reizen Recycling Entsorgung Ein Recycling von Duroplasten ist nicht m glich Diese k nnen lediglich einer thermischen Verwertung zugef hrt werden Mineral l kann wiederaufbereitet werden oder aber auch thermisch genutzt werden Verbrauchtes Wasser k nnte ohne Bedenken in die Kanalisation geleitet werden Verfahrenstechnische Unbedenklichkeit Hier sind tendenziell alle festen Stoffe im Vorteil Fl ssige Stoffe k nnen nahezu unbemerkt durch z B Korrosionsspalte in den Prozess gelangen und das Verfahren st ren So w rde z B ein Eintrag von Mineral l in den Prozess eines lebensmittelverarbeiteten Betriebes schwerwiegende Konsequenzen nach sich ziehen Au erdem kann die Beladung des Prozessmediums mit organischen Verbindungen ozonzehrend wirken und den urspr nglichen Zweck der Ozonisierung die Desinfektion praktisch verhindern nderung Materialeigenschaften bei schwankender Betriebstemperatur Hier ist nur reines Glyzerin auff llig das seinen Schmelzpunkt bei 18 2 C hat Eine potentielle nderung des Aggregatszustandes wenn auch nur partiell bei Wassergemischen ist im Betrieb nicht erw nscht Trotz aller Alternativen stellt sich auch in obiger Matrix mit gewichteter Bewertung ein Gemisch aus destillierttem Wasser und Natriumbisulfit als das Mittel der Wahl dar Im Zusammenspiel mit der einwandfreien Kontrolle des Druckraumes na
258. n Reinstwasser Es flie en neben der Ozonleistung das Molekulargewicht von Ozon die Ladung die 6 bei der Ozonbildung ben tigten Elektronen und der Kehrwert der Elementarladung ein P g h 1 100 20 10 1 Gleichung 78 Eine weitere Kenngr e ist die Ozoneffizienz 5 Gleichung 78 die einen Vergleich der Elektrodenperformance mit der eigentlich in Reinstwasser erwarteten Effizienz zul sst Diese Nominalleistung entspricht hierbei exakt 100 Alle Kennwerte beziehen sich rein auf das in L sung gehende Ozon es geht nicht mit ein wie viele Hydroxylradikale nicht zum weiterreagieren wie viele Konkurrenzreaktionen an Anode und Kathode stattfinden und wie viel Ozon in die Gasphase bergeht und dementsprechend auch nicht mehr in L sung gemessen werden kann Des Weiteren ist es m glich aus der Faraday schen Gleichung die kathodische Wasserstoffentstehung zu quantifizieren Berechnet man mittels Gleichung 57 die abgeschiedene Menge an Protonen so erh lt man den in Gleichung 79 aufgezeigten Wert 3600 As n 73 Gleichung 79 1 96485 3399 Rue i mol Multipliziert man diese Stoffmenge unter der Annahme eines idealen Gases mit dem sog molaren Normvolumen 22 4 1 so erh lt man unter der Pr misse dass Wasserstoff wie Sauerstoff naturgem dimerisiert vorkommt das entstehende Wasserstoffvolumen pro Amperestunde 0 417761 0 421 Gleichung 80 Diese Berechnung ist vor allem
259. n Summe Ozon abgebaut wird Als zweite Betrachtungsweise ist in Tabelle 40 dargestellt wie stark die jeweiligen Abnahmen der Ozonkonzentrationen von der 61 zur 62 Minute ausfallen Dieser Vergleich ist gerade auch deswegen relevant da der Vorgang der Ozonentgasung an der Reinigungsarmatur permanent d h bei jedem Umlauf geschieht und somit festgelegt werden kann Die Zeitwerte der Konzentration entsprechen wiederum der Modellkurve um die Auswirkung eventueller Messfehler einzud mmen Tabelle 40 Verbleibende Ozonkonzentrationen bei Elektrodenabschaltung Coen mg l f r Stromvorgabe 61 62 Cozon verbleibend 80 A 0 122 0 033 27 0 160 A 0 362 0 155 42 8 240 A 0 589 0 262 44 4 320 A 0 824 0 410 49 8 Als Richtwert f r die Ozonkonzentrationsabnahme bei Elektrodenabschaltung kann bei h heren Stomdichten 160 320 A eine Reduktion auf 40 50 angenommen werden Gerade im Bereich der niedrigen Stromdichten also auch der vermutlich geringeren Ausgasungsverluste beim Ozonaufbau ist die Abnahme mit 75 deutlich h her wobei aber kaum bzw keine Anwendungsrelevanz besteht Da sich der Vergleich der einzelnen Kurven im Ozonabbau Phase Il insbesondere die Verschiebung nach oben mit zunehmender Stromst rke anhand der Exponentialfunktionen hnlich wie beim Ozonaufbau komplex gestaltet werden im Folgenden wiederum die Ozonkonzentrationen in Abh ngigkeit der Stromst
260. n auf Laborebene z B berpr fung verschiedener Einbauten in der Abstr mung um die Wasserl slichkeit des Ozons in Wasser nochmals zu verbessern Eruierung einer ersten praxistauglichen Studie und Validierung dieser o Finale Anpassungen mittels hydraulischer Verbesserungen im Praxisma stab z B verbesserte Anstr mung des Stacks in Bezug auf die Ozongenerierung e Konstruktion und Bau einer vollwertigen Demonstrations Anlage zur Oberfl chendesinfektion von Brauereitanks o Reduzierung der Prozessschritte der CIP Reinigung von brauerei blichen G r und Lagertanks um bis zu vier Prozessschritte durch Einsatz der Ozonisierung o Deutliche Reduktion an gef hrlichen Chemikalien die zur Desinfektion eingesetzt werden ebenfalls bez glich Zwischenlagerung von Chemikalien sowie Installation und Wartung von Dosierstationen der Transport solcher Chemikalien soll dabei minimiert werden oder sogar komplett entfallen o Verk rzung der Gesamtzeit der CIP Reinigung um mindestens 15 von ca 180 min auf 150 min e erfahrenstechnische Untersuchungen zur Oberfl chendesinfektion o Die Ozonkonzentration im zur Desinfektion verwendeten Wasser sollte zwischen 0 5 und 2 0 mg l liegen Einleitung o Mikrobiologie Keimzahlreduktion um f nf Zehnerpotenzen auf Laborebene Umsetzung auf Praxisma stab o Gute ausreichend hohe Desinfektion innerhalb von 15 min statt bisher 30 min bei derzeitiger Anlagentechnik und dementsprechenden Desi
261. n grunds tzlich in physikalische oder chemische Prozesse eingeteilt werden Die Kombination der beiden Prozesse wird chemothermische Desinfektion genannt und kann beim Einsatz geeigneter Desinfektanden einen synergistischen Effekt hervorrufen Kramer et al 2008 Durch die chemothermische Desinfektion ist es mitunter m glich hitzeempfindliche G ter bei Verwendung thermischer Verfahren bei wesentlich niedrigeren Temperaturen zu desinfizieren oder zu sterilisieren Kramer et al 2008 Die Wirksamkeit unterschiedlicher Desinfektionsverfahren unterscheidet sich teilweise sehr am allermeisten wenn verschiedene Keimspezies dezimiert werden sollen Etliche Faktoren sind ausschlaggebend f r die erfolgreiche Durchf hrung einer Desinfektion mit die wichtigsten sind Kulozik et al 2010 Bodenschatz 2006 Kramer et al 2008 e Desinfektionsmittelkonzentration o zu niedrig mangelnde Hygiene bzw keine vollst ndige Desinfektion evtl sogar sch dliche Intermediate o zu hoch R ckstands und Entsorgungsproblematik e Mikroorganismen o Ausgangskeimzahl meist ma gebender Effekt o Spezies und potentiell vorhandene Resistenzen o Funktionszustand vegetative Formen Sporen o Gestalt Einzelzellen Agglomerate e angewandte Temperatur o je h her desto besser ist die Reaktionskinetik und entsprechend der Desinfektionseffekt o Ausnahmen Jodophore Ozon in Abh ngigkeit der Applikation e pH Wert o verschiedene Wirkungsoptima e Ei
262. n nur doppelt durchgef hrt 156 Ergebnisse Zeitabh ngige Desinfektionseffizienz Rinswassertest Stromvorgabe 80 200 320 A Temperatur 12 15 C Volumenstrom 11 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m Druckverlust 1 5 2 7 bar Spr hkugel und Schwallreiniger SR N x Ed S E E lt x E x E 2 EI 2 2 gt Zeit min Abbildung 117 Zeitabh ngige Desinfektionseffizienz Rinswassertest Bei der berpr fung des Rinswassers ergibt sich eine vollst ndige Desinfektion Sterilisation bereits nach sp testens 10 min unabh ngig von Stromst rke und Reinigungsarmatur s Abbildung 117 Als effektivste Kombination erweist sich die Spr hkugel mit einer Stromst rke von 320 A wobei der Schwallreiniger bereits bei 80 A sehr hnliche Werte aufweist und ebenfalls nach 3 Minuten eine vollkommene Sterilit t bewirkt Die Ergebnisse niedrigerer Stromst rken unter Einsatz der Spr hkugel f hren zu einem schlechteren Desinfektionsergebnis Parallel zu den Rinswassertests werden ATP Tests der Oberfl che durchgef hrt Hierbei wird jeweils vor Beginn der Umpumpphase und nach der 40min tigen Desinfektionsphase Abstriche der Oberfl che auf deren ATP Gehalt berpr ft Zur Sicherheit werden die Doppelbestimmungen als Einzelversuche betrachtet 157 Ergebnisse Desinfektionseffizienz Oberfl chentests ATP Stromvorgabe 80 200 320 A Temperatur 1
263. nauigkeit der Online Sensorik im Durchfluss und im Kreislaufbetrieb der Anlage durch Vergleich mit der Indigocarmin Referenzmethode Als abschlie ende Teilanalyse wird das Tr gheitsverhalten der drei Ozonmessger te bei verschiedenen Versuchsreihen evaluiert F r s mtliche Versuche dient Schrobenhausener Leitungswasser als Matrix die Umpolung betr gt aus diesem Grund durchweg 4 Minuten s 4 1 7 Alle drei Sensoren zeigen die Ozonkonzentrationen in ppb an weshalb diese Einheit in den Diagrammen auftaucht ppb sind jedoch gleichbedeutend mit ug l Alle Bestandteile der Sensorenvalidierung gehen letztlich in eine Nutzwertanalyse ein und werden damit gesondert diskutiert Bei allen Versuchen im Kreislaufbetrieb wird die Spr hkugel als Standard Reinigungsarmatur verwendet um n tigenfalls Vergleichswerte aus 4 4 1 heranziehen zu k nnen Die Messwerte der Sensoren werden alle 10 Sekunden erfasst und ber die jeweils zugeh rige Auswerteeinheit an den Datenschreiber weitergegeben Im Folgenden werden f r die drei 158 Ergebnisse Ozonmessger te nachstehende Abk rzungen verwendet der SWAN AMI Codes Il wird mit SWAN der Mettler Toledo 770 MAX Sensor 3X8 210 mit Mettler und der Orbisphere 410 von Hach Ultra Sensor EC 31330 mit Orbisphere bezeichnet Kalibrierung Vor Beginn der Versuche wird an allen drei Ozonsensoren eine Kalibrierung nach Herstellerempfehlung durchgef hrt Nachfolgend wird die Kalibrierpr
264. nd z B Verkrustungen beeinflusst des Weiteren spielen das Design des zu reinigenden Objekts das Material und dessen Oberfl chenrauigkeit eine gro e Rolle S dzucker AG 1998 Wie am Sinner schen Wirkkreis s Abbildung 1 deutlich wird basiert der Reinigungserfolg auf den Faktoren Zeit Temperatur Mechanik und Chemie Kulozik et al 2010 Die Veranschaulichung an einem Kreis soll die gegenseitige Abh ngigkeit widerspiegeln Bei Reduktion oder Abfall eines der Faktoren muss die dadurch entstehende Vakanz durch den Ausbau einer oder mehrerer anderer Gr en kompensiert werden Koller 2008 Zum Teil l sst sich der Wirkkreis auch auf die Desinfektion bertragen Theoretische Grundlagen Chemie Temperatur Abbildung 1 Sinner scher Wirkkreis Koller 2008 Das Wort Sanitisierung wird im Lebensmittelbereich vor allem im nordamerikanischen Raum verwendet sanitizing Man versteht darunter eine Prophylaxe zur Verminderung von Keimen und oder unter anderem aus dem K hl und Reinstwassersektor stammend die Einhaltung gewisser Obergrenzen einer Verkeimung Bodenschatz 2006 In der Praxis kommt die Sanitisierung eher einer Reinigung gleich die mittels Addition waschaktiver Substanzen und mikrobizider Mittel vertieft und wodurch im Erfolgsfall ein keimarmes Milieu erschaffen wird In ihrer keimreduzierenden Wirkung steht die Sanitisierung zwischen der Reinigung und der Desinfektion und kann in g nstigen F llen sog
265. nd einer verkalkten rechts Membran Mangold et al 2011 100 Ergebnisse Nach dem Entkalken mit O 3molarer Zitronens ure sind noch Ablagerungen auf der Oberfl che erkennbar die jedoch eine andere Struktur aufweisen s Abbildung 53 w hrend nach dem Entkalken mit 1molarer HCI der Kalk vollst ndig entfernt wurde Vergleicht man die Oberfl che einer gereinigten s Abbildung 53 und Abbildung 54 mit der einer neuen s Abbildung 49 Elektrode erkennt man dass sich die Struktur der Oberfl che leicht ver ndert hat Dies ist jedoch auf die elektrochemische Belastung der BDD Elektroden im Betrieb und weniger auf die S urebehandlung zur ckzuf hren Abbildung 53 und 54 REM Aufnahmen nach Behandlung einer verkalkten Elektrode mit O 3molarer Zitronens ure links und Imolarer Salzs ure rechts Mangold et al 2011 Auch bei der Reinigung der verkalkten Membranen mit O 3molarer Zitronens ure bleiben Kalkr ckst nde mit im Vergleich zum Ausgangszustand ver nderter Struktur auf der Membranoberfl che zur ck s Abbildung 55 w hrend die Reinigung mit 1molarer Salzs ure optisch zum vollst ndigen L sen des Kalkbelags f hrt s rechtes Bild Abbildung 55 und 56 REM Aufnahmen nach Behandlung einer verkalkten Membran mit 0O 3molarer Zitronens ure links und Imolarer Salzs ure rechts Mangold et al 2011 Abbildung 57 und Abbildung 59 zeigen dass Zitronens ure h herer Konzentration 1molar den Kalk optis
266. nd nach der Ozonierung dargestellt W hrend R in Abbildung 130 noch deutlich unter 1 um liegt legt dieser Wert wie und Rmax und alle Standardabweichungen nach der Ozonierung deutlich zu s Abbildung 131 Aufgetragen sind jeweils die Einzelwerte mit Standardabweichung des jeweiligen Materialstreifens und ein Mittelwert ber alle drei Materialstreifen um beide Abbildungen innerhalb k rzester Zeit vergleichen zu k nnen 169 Ergebnisse PVDF vor der Ozonierung Probe 1 Probe 2 Probe 3 Rz vorher ERmax vorher Da vorher Abbildung 130 Oberfl chenrauhigkeitsanalyse PVDF vor der Ozonierung PVDF 100 ppmh Probe 1 Probe 2 Probe 3 Rz nachher BRmax nachher nachher Abbildung 131 Oberfl chenrauhigkeitsanalyse PVDF nach der Ozonierung Gesamtergebnis Materialtest Um die Gesamtheit der Ergebnisse betrachten zu k nnen ist eine bersicht ber s mtliche Messparameter notwendig Beispielhaft ist in Abbildung 132 die Auswertung des Edelstahls V2A einzusehen Die restlichen Auswertungen sind wiederum im Anhang zu finden s 170 Ergebnisse Abbildungen Anhang 19 36 Am Beispiel des V gt A ergibt sich eine leichte Gewichtszunahme eine Minderung der Oberfl chenrauhigkeit eine drastische Erh hung des oberfl chlichen Ferritgehalts und ein leicht gelblicher Stich auf der matter gewordenen Oberfl che GA Phase Beschreibung statistischer Wert Gravimetrie g
267. nfektion entsprechen was die allgegenw rtige Meinung gegen ber der teuren Verwendung von Ozon nicht st tzt Erg nzend muss noch erw hnt werden dass weder die finale Reaktorstudie die eine Performanceverbesserung von nochmals ca 20 verspricht noch konstruktive Optimierungen in diese finanzielle Betrachtung miteingegangen sind Hierdurch verbessern sich die Amortisationszeiten wiederum betr chtlich Die Auslegung einer Anlage zur Oberfl chendesinfektion mittels Ozon kann nun auf zwei verfahrenstechnische Parameter gest tzt werden zum einen auf den Umw lzvolumenstrom s Gleichung 108 zum anderen auf das Sumpfvolumen s Gleichung 109 Mit den folgenden Auslegungsformeln wird versucht aus einem Scale up oder down der Demonstrationsanlage die Anlagennennleistung als Nominalleistung bzw ben tigte Stromst rke lappi f r einen beliebigen Anwendungsfall in einer Brauerei festzulegen 1 A 90 320A Gleichung 108 AI 500 1 g VReinigung 20 Gleichung 109 h Die Parameter Sumpfvolumen und Reinigungs bzw Desinfektionsvolumenstrom h ngen zwar ebenfalls zusammen jedoch ergibt sich durch die Tankgeometrie immer ein Einflussfaktor der derzeit noch nicht genau kategorisierbar ist So werden z B zylindrokonische im Vergleich zu flachkonischen Tanks mit einem niedrigeren Volumenstrom gereinigt und desinfiziert da aufgrund des in Relation gesehen geringeren Tankradius keine gro en Wurfw
268. nfektionsmitteln o Auswahl der geeigneten Reinigungs Desinfektionsarmatur o Auswahl eines applikationsgerechten Online Ozon Sensors zur Minimierung des Betreuungsaufwands o Festlegung von Materialbest ndigkeiten e Minderung der vom Ozon ausgehenden Abluftbelastung bei einer bewusst erfolgenden ffnung des Systems und einer daraus resultierenden Ausgasung e Reduzierter Verbrauch an Frischwasser durch R ckf hrung und Wiederverwendung des zur Desinfektion eingesetzten ozonisierten Wassers e Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens soll sich an der konventionellen Desinfektionsstrategie orientieren Theoretische Grundlagen 2 Theoretische Grundlagen 2 1 Grundlagen der Desinfektion und Oberfl chendesinfektion Als Einf hrung in den Themenkomplex m ssen vorerst diverse Definitionen festgelegt werden Gerade die Unterschiede zwischen CIP Reinigung Sanitisierung Oberfl chen Desinfektion und Sterilisation m ssen einer eindeutigen Abgrenzung unterliegen um die eben erw hnte Nomenklatur im sp teren Verlauf der Arbeit einordnen zu k nnen und den Kontext der Versuchsergebnisse erfassen zu k nnen Zudem sind viele der nachfolgenden Erl uterungen elementar wichtig f r die Versuchsauswertungen Die Reinigung ist definiert als die Entfernung 7 sichtbarer organischer und anorganischer Verschmutzungen von Oberfl chen sie wird des fteren auch als Dekontamination bezeichnet Im Lebensmittelsektor sind diese Verschmu
269. ng 104 IV Durchf hrung des jeweiligen Reinigungsprozesses V Kontrolle der zu pr fenden Oberfl chen auf erkennbare Fluoreszenz durch Sichtpr fung mittels UV Lampe 143 Ergebnisse Riboflavin Zylinder Sumpf Abbildung 104 Benetzungsschema Riboflavin Wie in Tabelle 35 dargestellt ist bei der ersten Testreihe ohne HEC nur bei geringen Volumenstr men eine Fluoreszenz festzustellen Deshalb wird eine zweite Testreihe mit durchgef hrt und ein f r die CIP Reinigung blicher Volumenstrom von 11 ausgew hlt Aufgrund der deutlichen Fluoreszenz beim ersten Reinigungsdurchgang mit 60 Sekunden wird der Parameter Reinigungszeit f r den zweiten Durchgang auf 5 min erh ht Da bei diesem f r die CIP Reinigung vergleichbar kurzen Reinigungsmodus bei beiden Armaturen keinerlei Fluoreszenz festgestellt werden kann wird auf weitere Versuche verzichtet Tabelle 35 bersicht Reinigungsresultat bei Spr hkugel und Schwallreiniger Riboflavintest mit Spr hkugel und Schwallreiniger Reinigungsmodus Spr hkugel Schwallreiniger Volumenstrom Reinigungsauer Sumpf Zylinder Sumpf Zylinder leicht sichtbare L keine sichtbare leicht sichtbare Fluoreszenz Fluoreszenz leicht sichtbare leicht sichtbare Fluoreszenz Fluoreszenz leicht sichtbare Fluoreszenz Fluoreszenz Fluoreszenz keine sichtbare p keine sichtbare keine sichtbare Flugreszenz keine
270. ng bez glich Desinfizierung und Sanitisierung zeigt sich dass eine geringere Konzentration an Ozon ausreichend ist da es mit bedeutend h herer Geschwindigkeit wirkt als Chlor bis zu 3000fache Reaktionsgeschwindigkeit Fryda et al 2004 Dazu kommt au erdem dass keine zus tzlichen Chemikalien in das aufzubereitende Wasser eingebracht werden m ssen die die Wasserqualit t bzw das Produkt beeintr chtigen k nnten Entscheidendes Merkmal gegen ber anderen Peroxi Verbindungen ist die absolut unspezifische Wirkung w hrend die Oxidationswirkung hoch energetischer Sauerstoffverbindungen wie z B von Wasserstoffperoxid ber das Enzymsystem vor allem aerob metabolisierender Mikroorganismen abgefangen wird haben die radikalischen Reaktionen des Ozons immer noch Erfolg Des Weiteren lassen sich ber Ozon umweltfreundlich Eisen und Mangan aufoxidieren und die oxidative Elimination Transformation von nicht oder nur schlecht abbaubaren organischen Spurenstoffen vorantreiben wie z B Medikamentenr ckst nde in Oberfl chengew ssern Kurzmann 1993 Schriever et al 1980 Schumacher 2005 Behmel 2010 F r die Anwendung in der Trinkwasseraufbereitung ist es wichtig die Exposition das zeitliche Integral der Ozonkonzentration als Ma zahl f r die Wirksamkeit gegen ber Mikroorganismen zu betrachten In diesem Zusammenhang existiert die sog der Regel die besagt dass bei einer Ozonkonzentration von 0 4 mg l ber eine Einwirkzeit v
271. nologies 2011 Dinter 2009 Grund 2008 Saefkow 2010 Rheinbaben 2009 Evers et al 2009 Saefkow 2005 Fischer 2010 Speckle 2001 Reiser 2008 Eigener 2008 Lindemann 1989 Glas 2006 Trinkwasserverordnung 2001 2009 Behmel 2010 d Ans et al 1912 Mutschmann et al 2007 Braunwarth et al 2008 Roeske 2007 Hazen et al 1992 US EPA 2011 CRC 1990 Yahya et al 1990 Singer et al 1980 Bodenschatz 2006 Schulze Bremer GmbH 2010 Bodenschatz 2006 Bendlin et al 2004 Bendlin et al 2004 Roeske 2007 Bendlin et al 2004 Mutschmann et al 2007 Mutschmann et al 2007 Falkner 2009 Roeske 2007 T rk 2009 Karsten 2009 Lecher et al 2001 Ayala 2009 Wedeco AG 2009 Kunze 2007 Heyse 2008 Wallh u er 1995 Wildbrett 1996 Tamm 2002 Aqua Fontana 2009 Thalmann 2001 Schweizerische Gesellschaft f r Lebensmittelhygiene SGLH 1988 Winkelmann 2005 Abberger 2005 Kramer et al 2008 Grund 2007 Abgesehen von der Filtration und der UV Behandlung sind s mtliche oben erw hnten Desinfektionsmittel und verfahren grunds tzlich zur Desinfektion von Oberfl chen einsetzbar Dennoch gibt es kein Desinfektionsmittel das gleichzeitig ber ein l ckenloses Wirkungsspektrum und eine gute Umweltvertr glichkeit verf gt Zudem hat jede Methode weitere Nachteile wie z B die Beeintr chtigung der Produktqualit t oder die Personalgef hrdung
272. nsburg de Reiser ChemieAlltag Essigs ure pdf Rheinbaben Friedrich von 2009 Trinkwasser allein desinfiziert nicht was ist von elektrolytisch hydrolysierten Kochsalzl sungen als Desinfektionsverfahren zu halten Fleischwirtschaft 2009 9 Roempp Online Datenbank 2011 Ozon 23 August 2011 Roeske W 2007 Trinkwasserdesinfektion 2 M nchen s n 2007 5 55 Roeske W 2007 Trinkwasserdesinfektion 2 M nchen s n 2007 5 43 ff Roeske W 2007 Trinkwasserdesinfektion 2 M nchen s n 2007 S 93 ff Rothe Matthias 2009 Ozon in der Tafelwasserproduktion Pr sentation Bremerhaven s n 11 November 2009 Rychen et al 2003 Water Treatment Applications with BDD Electrodes and the DiaCell Concept New Diamant and Frontier Carbon Technology 2003 13 Saefkow G 2005 Elektrochemische Aktivierung als potenzielles Verfahren zur Vermeidung und Elimination von Biofilmen in trinkwasserf hrenden Systemen Hyg Med30 2005 11 M 2010 Innovatives Desinfektionsverfahren f r die Brau und Getr nketechnologie Technik amp Technologie Pr sentation 2010 Schmidt 1989 Katechismus der Brauerei Praxis 15 N rnberg Hans Carl Fachverlag 1989 S 347 Schmidt H 1989 Katechismus der Brauerei Praxis 15 N rnberg Hans Carl Fachverlag 1989 S 350 Sch nbein C F 1840 Beobachtungen ber den bei der Elektrolysation des Wassers und dem Ausstr men der gew hnlic
273. nscheinlich wie unterschiedlich die Verfahrensweisen der beiden Reinigungsarmaturen in Bezug auf die Fluidik sind Abbildung 3 und 4 Spr hbild einer statischen 360 Spr hkugel links und eines Schwallreinigers 270 nach oben rechts 15 Theoretische Grundlagen Eine weitere Variante der Reinigungsarmaturen ist der Zielstrahlreiniger bei dem ebenfalls durch Zwangsanstr mung wie beim Schwallreiniger eine Rotation des Reinigungskopfes erzwungen wird Es sind aber auch motorgetriebene Ausf hrungen erh ltlich deren Antriebe sich au erhalb des Beh lters befinden Das Reinigungsmedium wird in einem gezielten Sto auf eine vorgegebene Fl che geschossen Durch die Rotation wird so in Summe die gesamte Oberfl che nach einem Programm abgefahren was die Wirkung der mechanischen Reinigungskomponente an jeder Position im Tank erm glicht Meierkordt 2005 Meierkordt 2008 Neben dem vergleichsweise hohen Preis der Zielstrahlreiniger und ihrer bisher noch nicht weit fortgeschrittenen Marktdurchdringung wurde von der Verwendung der Armatur in dieser Arbeit aufgrund der hohen Scherkrafteinwirkung auch auf Anraten mehrerer Hersteller abgesehen 2 3 Eignung konventioneller und moderner Desinfektionsmittel zur Oberfl chendesinfektion Im Folgenden wird eine tabellarische Auflistung einiger g ngiger Desinfektionsmittel die zur Desinfektion von Oberfl chen in Frage kommen durchgef hrt Es sind sowohl chemische als au
274. nsivum der Ozonierung ab da das Desinfektionsmittel direkt aus dem zu desinfizierenden Medium entsteht Gegen ber den alternativen Herstellungsverfahren bietet diese elektrolytische Ozonerzeugung ber bordotierte Diamantelektroden BDD Elektroden nochmals erhebliche Vorteile Zum einen werden weniger Desinfektionsnebenprodukte gebildet zum anderen wird die Wirksamkeit des Ozons durch die als Vorstufe entstehenden Hydroxylradikale zumindest in direkter Elektrodenumgebung verst rkt Eine verbesserte Energieausbeute bei der Ozonerzeugung und die M glichkeit direkt inline zu desinfizieren und auf Mischsysteme verzichten zu k nnen geh ren ebenfalls zu den Vorteilen dieser Ozonerzeugungsvariante Becker 2011 F r die Desinfektion von Beh ltern konnte die Ozonisierung mithilfe dieser Technologie bislang jedoch nicht genutzt werden Auch mittels Standardtechnologien hergestelltes Ozon wird bisher nur selten zur Oberfl chendesinfektion verwendet TUM ESAU amp HUEBER GmbH 2010 Ostwald 2009 Im Rahmen zweier Forschungsprojekte soll einerseits die Effizienz der Ozonerzeugung mittels Diamantelektroden nochmals gesteigert werden und andererseits eine vollwertige Anlage zur Desinfektion von Oberfl chen im Getr nkesektor auf Basis dieser Technologie konzipiert und validiert werden Dabei soll kaltes Wasser ozonisiert werden um vorgereinigte Beh lter so gesundheits und umweltfreundlich sowie wirtschaftlich effizient desinfizieren ESAU am
275. nten Parameter berwachung 2x Leitf higkeitssonde Mettler Toledo Thornton 230 221 2 Mettler Toledo Thornton 4250 F llstand im Vorratsbeh lter Endress Hauser Liquicap Temperatur Endress Hauser Thermopbant T TTR Durchfluss Negele FKS 141 Druck Endress Hauser Ceraphant T 29 09 2009 11 42 29 SE Auslauf Durchlaufbetrieb 39 Leitf higkeit uS Frischwasser QIR103 pH Wert 0 00 Deg Ozon ppb 6 Ss Temperatur C TIR1O1 LIR 001 14 7 90 0 Tr Ist Strom Sol Strom A Strom Rampe Afs Umpolzeit R Umpolzeit R 19 9 4 20 0 4 1 0 4 0 mal 57 SE Sr Umpolzeit L UmpolzeitL sol 4 0 O sek 7 leitf higkeit uS Durchfluss FIR001 A It 1 97 m Wert 4 28 sa 2 00 m Zudosierung Leitf higkeit l Druck PIROOL It 0 5 bar Pumpe P2 Zulauf Durchlaufbetrieb PUMPE P1 REAKTOR i PUMPE P1 PUMPE P1 REAKTOR REAKTOR St rung STOP STOP i START STOP START STOP quittieren Abbildung 33 Visualisierungsoberfl che mit Eingabefeldern und angezeigten Prozessparametern Die Steuerung der Anlage und die Datenerfassung mittels der Sensoren erfolgt ber die SPS Steuerung mit der Software ber diese kann auf die Parameter Strom Umpolintervall und Durchfluss Einfluss genommen werden Verfahrenstechnisch handelt es sich
276. ntnisse der vorliegenden Arbeit eingearbeitet Die Voraussetzungen f r die Wirtschaftlichkeitsberechnungen sind e Als vermeintlich billigere Alternativen werden Monobromessigs ure das sich in Brauereien immer noch gro er Beliebtheit erfreut Peressigs ure und Chlordioxid die mittlerweile den Standard im Getr nkesektor darstellen gew hlt e Als Berechnungsgrundlage dient eine Brauerei mit einer Ausstattung von 8 22 m G rtanks Nettovolumen 176 hl und ca 40 Lagertanks der halben Gr e die Brauerei hat einen theoretischen Aussto von 70 000 hl Die G rtanks sind bei Volllast durchschnittlich 50 mal pro Jahr belegt 7 Tage Belegungszeit bei 6 Tagen Hauptg rung Die Lagertanks sind bei Volllast durchschnittlich 35 Tage belegt der Wei bier und damit Flascheng rungsanteil liegt bei 25 Die 2 Tank Hefepropagationsanlage wird ebenfalls 3 mal je Woche gereinigt und desinfiziert Es ergeben sich j hrlich ca 850 Desinfektionen die mit einem Sumpfvolumen von je 500 Litern durchgef hrt werden e Die Anschaffungskosten einer Chemikaliendosage werden auf 5 000 mit Verrohrung die einer CIP Desinfektionsanlage mit elektrolytischer Ozonerzeugung auf 70 000 gesch tzt dieser berlegung liegen einerseits die g nstige Dosierpumpentechnologie beim Einsatz von konventionellen Desinfektionsmitteln andererseits die Kostenaufstellung der Demonstrationsanlage zugrunde e F r die Chemikalien werden markt bliche Preise
277. ntschicht zeitproportional auf der Oberfl che des Werkst cks an Eine vorherige Bekeimung also die Aufbringung von Kristallisationskeimen ist zur Erzeugung einer homogenen Schicht zwingend erforderlich Bronkhorst M ttig GmbH 2009 Wichtig f r den gesamten Prozess ist die exakte Abstimmung der Abst nde der einzelnen Wolframdr hte und vor allem der Abstand der Wolframdr hte zur zu beschichtenden Oberfl che werden diese Abst nde zu gro gew hlt resultieren Temperaturschwankungen bzw die Aktivierung der Methylradikale bleibt ungenutzt bei zu geringen Abst nden resultiert genau wie bei zu gro en eine inhomogene Diamantschicht zus tzlich kann es zu 55 Material und Methoden Energie bersch ssen kommen die eine erh hte Temperatur und dementsprechend den v lligen Funktionalit tsverlusts des Verfahrens verursachen k nnen Der gesamte Prozess findet unter Vakuum statt der Druck im Inneren der Kammer bel uft sich auf 20 200 mbar Gesamtdruck Beide derzeit bei CONDIAS GmbH installierten HF CVD Anlagen sind absolut modular aufgebaut an einer Vakuumschleuse die durch ein Doppelkammersystem eine Bef llung der Reaktorvor best ckt mit einem Roboterarm zur exakten Positionierung des Substrats und hauptkammer auch w hrend laufender Prozesse zul sst k nnen je bis zu 3 Produktionseinheiten angebracht werden Pro Produktionskammer k nnen bis zu 0 5 m Substrat beschichtet werden nachdem alle drei Module potenti
278. nwirkzeit der Desinfektionsmedien o Einwirkzeit Vordiffusions Dispergierzeit Kontaktzeit mit antimikrobieller Wirkung Problem evtl Verdunsten z B Alkohole gt Vordiffusions Dispergierzeit Lag Phase in der Praxis nicht nachvollziehbar deshalb gilt die Kontaktzeit ab Desinfektionsmittelzugabe Oft auch als Durchdringungsverm gen der Desinfektionsmedien bezeichnet Theoretische Grundlagen e Durchdringbarkeit des Desinfektionsgutes und Einfluss von Umgebungsbedingungen z B Einschluss durch Schmutz bzw Inhaltsstoffe Feuchte usw e Einfluss des Apparatebaus zu desinfizierenden Objekts o Totzonen und Str mungsschatten Selbstentleerung hygienegerechte Gestaltung der Dichtungen Oberfl chenbeschaffenheit gt je glatter desto besser zu reinigen Kulozik et al 2010 o jedoch werden auch Ra Werte von 0 2 bis 0 8 um als Rauigkeits Optimum proklamiert der Grund daf r ist der Entfall grenzlaminarer Str mungen durch eine gewisse Restrauigkeit Wolf 2009 Unter Verwendung bisheriger Desinfektionsmittel und verfahren ist es nicht m glich ein fl chendeckendes h produkt milieu und keimunspezifisches Mittel zu finden Zumeist werden eigens f r die erforderliche Applikation entwickelte L sungen eingesetzt die dann jedoch nicht ohne weiteres auf andere F lle bertragen werden k nnen Dittrich 1993 Als einige der wenigen Richtlinien die allgemein f r Desinfektionsmittel g
279. o darf die maximale Flie geschwindigkeit von wasser hnlichen Substanzen z wasserbasierten Desinfektionsmitteln aufgrund des durch Rohrreibung resultierenden Druckverlusts 3 m s nicht berschreiten wonach die Rohrleitungsdimension ausgelegt werden muss Gleichzeitig darf jedoch die Reynoldszahl der Str mung nicht 2320 unterschreiten besser sogar im Bereich ber 10 liegen Bender 2007 ber die folgende Berechnungstabelle deren 126 Ergebnisse Grundlage die in 3 4 z T hergeleiteten Formeln darstellen kann die allgemeine Hydraulik im System berpr ft werden Tabelle 25 berpr fung der Hydraulik in der Demonstrationsanlage f r eine Hauptnennweite von DN 50 Hauptvolumenstrom Demonstrator DNS Ma zahl Einheit m n mg mm s pn O g cm mm m s Re Reynoldszahl Berechnung A 0 0186 Bei einer Hauptnennweite des Demonstrators von 50 mm entspricht 50 wird sowohl die maximale Flie geschwindigkeit als auch die minimale Reynoldszahl eingehalten Selbst eine Steigerung bis 21 2 m h ist str mungstechnisch noch m glich ebenso eine Senkung auf unter 1 m h die Str mung gilt in beiden F llen als turbulent Da die Demonstrationsanlage wegen ihrer Dimensionierung auf 16 g h Nominalleistung ber insgesamt drei Str nge verf gt muss f r jeden Einzelstrang berpr ft werden ob die Str mungsverh ltnisse hier ebenfalls korrekt sind Tabelle 26 Hydraulische berpr fung
280. oempp Online Datenbank 2011 Abbildung 24 zeigt die Reaktion des Indigocarmins mit Ozon Das Ozonmolek l greift an der zentralen und f r die Blauf rbung hauptverantwortlichen Doppelbindung an a bildet durch Oxidation ein Prim rozonid b aus dem wiederum durch Umlagerungen das Sekund rozonid hervorgeht und reagiert ber Zwischenprodukte mit sehr kurzer Lebensdauer d zum farblos gelben Keton Isatin und zum farblosen Isatos ureanhydrid e ab ber die Extinktionsminderung der Indigocarmin L sung gegen ber einer Referenzl sung ohne Ozoneinwirkung kann auf die Konzentration des Ozons im Wasser geschlossen werden Grosjean et al 1988 Die Vorbereitung der Reagenzien ist f r die Referenzl sung und die Messl sung gleich 1 ml einer 1 mmolaren Indigocarmin Stamml sung und 5 ml einer ca 0 7 molaren Phosphors ure werden in 100 ml Messkolben vorgelegt und gewogen mind 1 Nachkommastelle erforderlich Danach wird der Messkolben f r die Referenzl sung mit voll entsalztem Wasser bis zum Eichstrich aufgef llt Die Messkolben f r die Messl sung werden direkt am Probehahn so lange mit ozonisiertem Wasser bef llt bis noch eine deutliche Blauf rbung erkennbar ist aber maximal bis zum Eichstrich Danach werden sie wiederum gewogen um aus der Gewichtsdifferenz beider W gungen die Ozonwassermasse berechnen zu k nnen bevor sie ebenfalls mit vollentsalztem Wasser bis zum Eichstrich bef llt werden Auf die Durchmischung aller
281. olgend illustrierte Kettenreaktion zur Folge hat 0H gt HO 0 Gleichung 5 HO gt 0 Gleichung 6 24 Theoretische Grundlagen H lt HO Gleichung 7 0 e 0 Gleichung 8 e H lt HO Gleichung 9 HO e gt OH Gleichung 10 OH e O HO e Gleichung 11 HO gt HO Gleichung 12 Schumacher 2005 Das entstandene Superoxid lon Radikal O e und das Hydroxyperoxid Radikal HO e stehen miteinander im S ure Base Gleichgewicht s Gleichung 7 und sind der Ausganspunkt f r eine Kettenreaktion die besonders in Reinstw ssern entscheidend aber dennoch in W ssern aller Qualit t bedeutend ist s Gleichungen 8 10 Dabei reagiert zun chst das Superoxid lon Radikal mit Ozon unter Bildung des Ozonid Radikal Ions e das mit einem Proton zur Bildung eines OH Radikals f hrt Die Gleichungen 11 und 12 zeigen dann auf wie das Ozon unter wiedermaliger Bildung eines Hydroxyperoxid Radikals was den Kreis zu den Gleichungen 6 und 7 schlie t und Sauerstoff abgebaut wird Es l sst sich an dieser Stelle sehr gut erkennen dass auf dem Zerfallsweg des Ozons diverse Radikale entstehen deren oxidative Wirkung unumstritten ist Demnach ist es wahrscheinlich nicht m glich das Oxidationspotential in einem ozonisierten Fluid rein dem Ozon selbst zuzuschreiben Schumacher 2005 Organische Verbindungen k nnen z T ebenfalls di
282. olumenstr omen 1 und 5 m h ergibt sich eine Parallelverschiebung der Leistungstestfunktionen nach oben die Steigerung um ca 20 wird vollends best tigt s Abbildung 86 120 Ergebnisse PVC Reaktor Performancevergleich zur 1 Reaktorstudie bei 1 und 5 m h Temperatur ca 13 C Volumenstrom 1 bzw 5 Leitf higkeit 510 uS cm 0 044 0 565 2 0 999 y 0 040x 0 948 R 0 998 y 0 025x 0 264 2 0 997 y 0 023 0 619 2 0 994 2 E N Strom I 1m3 h 1m3 h 90 5m3 h 5 m3 h 90 Abbildung 86 Vergleich 90 Anstr mung und 1 Reaktorstudie bei 1 und 5 mh Farbinjektionen und Str mungsvergleichm igung Zum Schutz der Elektrode vor rtlichen berhitzungen und zur Gew hrleistung des optimalen Abtransports des gerade gebildeten Ozons von der Elektrodenoberfl che wird im Folgenden versucht mittels Farbinjektionen zumindest tendenzielle Aussagen ber die Geschwindigkeitsverteilung im Reaktor treffen zu k nnen Diese Untersuchung ist zwar sehr subjektiver Natur kann jedoch bei der Dimensionierung der Zu und Abl ufe der neuen Reaktorgeneration zielf hrend sein F r den Test wird Indigocarmin direkt in die Kernstr mung kurz vor dem Reaktor injiziert und optisch entschieden in welchen Regionen die Str mung schneller bzw langsamer flie t Grunds tzlich sollte eine homogene Str mung den Optimalzustand darst
283. on Teflon PTFE e Minimale Massenerh hung e Glanz erhalten keine Verf rbungen Schrift erhalten e Spr digkeit permanent vorhanden weil keine Weichmacher in der Dichtung vorhanden sind e Wegen polyfluorierter Struktur des Polymers Angriff des Ozonmolek ls unterdr ckt e Einsatz empfohlen j hrlicher Tausch dennoch erforderlich Viton FFKM e Minimale Massenerh hung e Glanz erhalten keine Verf rbungen Schrift erhalten keine Verspr dungen e Wegen polyfluorierter Struktur des Polymers Angriff des Ozonmolek ls unterdr ckt e Einsatz empfohlen j hrlicher Tausch dennoch erforderlich 173 Diskussion der Ergebnisse 5 Diskussion der Ergebnisse 5 1 Grundlagenversuche und Elektrodenstackbetrieb 5 1 1 Leistungsabh ngigkeiten der Ozonerzeugung Die in der Literatur veranschlagen Halbwertszeiten von Ozon im Bereich von 20 30 Minuten Kurzmann 1993 Palitzsch et al 2005 Behmel 2010 k nnen auch beim Einsatz der BDD Elektrode in Leitungswasser best tigt werden Auff llig ist jedoch dass sowohl die gew hnliche Halbwertszeit HWZ als auch die zum Startpunkt affine Halbwertszeit HWZ 0 in Abh ngigkeit der Stromdichte sinken Dies l sst sich auf die Erw rmung der Elektrode w hrend der Ozonaufbauphase zur ckf hren deren Einfluss auch nach der Abschaltung anscheinend zu einer partiellen Erw rmung des Kreislaufwassers in Elektrodenn he f hrt Eine Beeinflussung der Ergebnisse
284. on 4 Minuten hinweg 4 log Stufen der blichen Wasserkeime abget tet werden Becker 2011 In der Lebensmittelindustrie werden Obst Gem se und K se z T einer Ozonbegasung unterzogen um die m gliche Lagerzeit zu verl ngern und die mikroorganismeninduzierten Gewichtsverluste zu senken So konnten in Demonstrationen die K se Lagerzeit von 4 6 auf 11 Wochen angehoben werden was direkt auf die 80 90 ige Reduktion der Pilzsporen im Reifungsraum zur ckzuf hren war Kim et al 1999 Die Zerst rung des Ozons kann vielf ltige Gr nde haben Zum einen ist hier der nat rliche Abbau des Oxidationsmittels aufzuf hren das wegen seiner instabilen Elektronenkonfiguration nach einer gewissen Zeit wieder zum elementaren zweiatomigen Sauerstoff zerf llt s Gleichung 4 woraus auch die Halbwertszeit des Ozons resultiert Diese Bilanzreaktion geht aus einem Reaktionsmechanismus hervor der durch das Zusammentreffen von Ozonmolek len mit Hydroxidionen ausgel st wird was eine Kettenreaktion zur Folge hat Auf diesem Zerfallsweg entstehen diverse Radikale deren oxidative Wirkung unumstritten ist Demnach ist es wahrscheinlich nicht m glich das Oxidationspotential in einem ozonisierten Fluid rein dem Ozon selbst zuzuschreiben Schumacher 2005 20 gt 30 Gleichung 4 Obige Gleichung geht wie erw hnt aus einem Reaktionsmechanismus hervor der aus dem Sto von Ozonmolek len mit Hydroxylradikalen resultiert s Gleichung 5 was die nachf
285. on Anode und Kathode s Material und Methoden wird die vorherige Kathodenumgebung lokal anges uert was keine weitere Anlagerung von H rtebildern und wegen der Absto ung gleichgerichter Ladungen eine Absprengung der angelagerten H rtebildner zur Folge hat Dieser Vorgang wird je nach Wasserh rte bzw leitf higkeit in Zeitabst nden von 2 Minuten bis 24 Stunden in gew hnlichem Leitungswasser in der Regel 4 Minuten durchgef hrt was jedoch nur teilweise zu einem zufriedenstellenden Ergebnis also einer ausreichend langen Betriebsdauer der Elektroden ohne Verkalkungs bzw Verschlei erscheinungen f hrt Es ist erwiesen dass die Kalkablagerungen durch die zyklischen Umpolungen nicht vollst ndig aufgel st werden sodass die zur ckbleibenden Mineralstrukturen immer wieder als Kristallisationskeime f r weitere Kalkablagerungen wirken k nnen Ein hnlicher Mechanismus wird f r den Polarisationswechsel von DSA Elektroden Stacks bei der elektrochemischen Hypochlorit Herstellung beschrieben Kraft et al 1999 Zus tzlich ist die Migration der H rtebildner in 50 Theoretische Grundlagen die Feststoffpolymermembran nicht vollst ndig eliminierbar was diese durch die Kationeneinlagerung zunehmend verspr den l sst Hampel et al 2005 In Abbildung 17 sind deutlich die kristallinen Formen des Kalkes in der Raster Elektronen Mikroskopaufnahme zu erkennen Beachtlich ist hierbei auch die Gr e von bis zu 100 um
286. on j hrlich etwa 2 000 aus Je nach Jahresaussto verh lt sich dieser Gesamtpreis linear abh ngig dazu Prognosen ber zuk nftig zu erwartende Verbrauchsmengen lassen sich nur schwer absch tzen einerseits aufgrund steigender Anforderungen an die sensorische wie mikrobielle Qualit t der Lebensmittel andererseits zwingen gesetzliche Auflagen und steigende Abwassergeb hren zu Einsparungsma nahmen im Bereich der chemischen Hilfsmittel Ozon hingegen ist ein Desinfektionsmittel das die beiden Eigenschaften Wirksamkeit und Unbedenklichkeit gut vereint Es ist mit der etwa 9000fachen Wirkung von Chlor eines der st rksten Desinfektionsmittel und bildet bei richtiger Anwendung nahezu keine toxischen Nebenprodukte FIGAWA Arbeitskreis Ozon 1985 Kurzmann 1993 Einleitung Ozon wird bereits seit Mitte des 19 Jahrhunderts zu Reinigungs und Desinfektionszwecken verwendet und vorwiegend bei der Aufbereitung von Trink und Prozesswasser zur umweltfreundlichen Oxidation von Eisen Mangan und organischen Substanzen eingesetzt In Trinkwasserwerken geh rt die Ozonierung unterdessen zu den zentralen Aufbereitungsstufen und eignet sich verglichen mit anderen Verfahren sowohl zur Entfernung von persistenten Inhaltsstoffen als auch zur Wasserdesinfektion Heim et al 2011 Das Verfahren der Ozonierung t tet pathogene Keime ab und erm glicht die oxidative Mineralisierung Elimination Transformation von nicht bzw nur schlecht abbaub
287. onkonzentration anzeigt Die Abweichungen zur Handmessmethode sind jedoch gr tenteils nur gering Genauigkeit und Stabilit t Durchfluss Mettler Stromvorgabe 160 240 320 A Temperatur 17 5 18 3 C Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm Ozonkonzentration ppb Zeit min Messwerte 160 A Messwerte 240 A Messwerte 320 A m Indigocarmin 160 A m Indigocarmin 240 A m Indigocarmin 320 A Mittelwert Indigocarmin 160 A Mittelwert Indigocarmin 240 A Mittelwert Indigocarmin 320 A Abbildung 121 Genauigkeit und Stabilit t Durchfluss Mettler 161 Ergebnisse Bei den Versuchen im Kreislaufbetrieb ist die Instabilit t der Messwerte wiederzuerkennen s Abbildung 124 Der Mettler ist dort der einzige Sensor bei dem die gemessenen Werte bei steigender Ozonkonzentration sogar sinken An den Werten des Orbisphere s Abbildung 122 kann man eine bessere Stabilit t und einen waagrechten Verlauf erkennen Die Abweichung zu den Indigocarminwerten ist etwas gr er als beim Mettler daf r liegen die Messwerte gleichm ig unter den Referenzwerten Genauigkeit und Stabilit t Durchfluss Orbisphere Stromvorgabe 160 240 320 A Temperatur 17 5 18 3 C Volumenstrom 12 m h Leitf higkeit ca 510 uS cm Ozonkonzentration ppb 0 5 10 15 20 Zeit min Messwerte 160 A Messwerte 240 A Messwerte 320 A Indigocarmin 160 A Indi
288. onsmittel in Brauereien Brauwelt 2009 23 S 649 651 Ott G 2004 Skript Geochemisches Praktikum Karlsruhe Universit t Karlsruhe 2004 S 5 Palitzsch K et al 2005 Ozon in Wald kosystemen aus atmosph rischer und pflanzenphysiologischer Sicht Umweltwissenschaften und Schadstoff Forschung 2005 4 S 231 235 Panizza M und Cerisola G 2005 Application of diamond electrodes to electrochemical processes Electrochmicia Acta 51 2005 S 191 199 Panizza M und Cerisola G 2009 Direct and Mediated Anodic Oxidation of Organic Pollutants Chemical reviews 2009 109 S 6541 6569 Papula L 2003 Mathematische Formelsammlung f r Ingenieure und Naturwissenschaftler 8 Wiesbaden Vieweg Verlag 2003 S 145 f Persons 2005 Advanced Oxidation Processes for Water and Waste Water Treatment s l IWA Publishing 2005 S 512 Polygrat AG 2007 Datenblatt Antox 90 E Datenblatt M nchen s n 2007 Porembra Sachverst ndigenb ro Dr Kurt 2005 Pr fbericht Testung der Wasser Desinfektionseinheit Condiapure Warwerort s n 5 April 2005 Literaturverzeichnis Postlethwait E M et al 1998 O3 induced formation of bioactive lipids estimated surface concentrations and lining layer effects American Journal of Physiology 6 1998 274 S 1006 1016 Reiser 2008 Essigs ure eine Allerweltssubstanz Online 13 Februar 2008 Zitat vom 25 Mai 2010 http www chemie uni rege
289. ortional zur jeweiligen Maximalleistung auf alle drei Elektroden aufgeteilt um auch 135 Ergebnisse stromdichtenabh ngige Ph nomene sichtbar zu machen Damit die Umpolungen der Elektroden nicht als St rfaktor das Ergebnis beeinflussen werden die Probenahmezeitpunkte jeweils ca drei Minuten nach einem Umpolungsvorgang gew hlt was die unterschiedlichen Messpunkte bei verschiedenen Stromst rken erkl rt Ozonexposition Vergleich Ozonaufbau Stromvorgabe 80 160 240 320 A Temperatur 19 21 Volumenstrom 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m Druckverlust 1 5 bar Spr hkugel 0 050111 0 618 R 0 9249 0 04391 0 4049 R 0 9239 0 036In x 0 2083 R 0 8759 0 01111 0 0846 R 0 8907 S E o 5 Zo 5 gt 30 Zeit min 80A 160A e 240A 320A Abbildung 96 Vergleich Ozonaufbau bei unterschiedlichen Stromst rken Wie in Abbildung 96 dargestellt folgt der Ozonaufbau bei konstanter Stromst rke einer logarithmischen Funktion Je nach Stromst rke ergeben sich ann hernd quidistante Unterschiede wobei der gedachte Abstand zwischen 80 A und der O Linie dieser Gesetzm igkeit nicht folgt Die h chsten Konzentrationswerte ergeben sich bei 320 A Gesamtstrom mit gut 0 8 mg l im Vergleich dazu liegen die Werte bei 80 A nur bei ca 0 12 mg l In 5 4 1 wird die Berec
290. ozedur f r jeden einzelnen Sensor kurz beschrieben und festgestellt ob diese w hrend der Zeit der Versuche wiederholt werden musste Eine wichtige Feststellung ist die Notwendigkeit einer Nachkalibrierung da dies im Betrieb zu erh htem Wartungsaufwand oder im ung nstigsten Fall zu Fehlmessungen und damit verbundenen Betriebsst rungen f hrt Der SWAN wird aufwendig durch Eingabe von Vergleichswerten die durch manuelle Messung mittels Indigocarmin gewonnen wurden kalibriert Die angezeigten Messwerte sind durchweg sehr stabil und reproduzierbar was in Summe als erfolgreiche Kalibrierung zu werten ist Eine Nachkalibration ist aufgrund des durchgehend stabilen Messverhaltens zumindest innerhalb der Versuchsreihen nicht notwendig obwohl die Werte tendenziell immer die der Indigocarminmethode bersteigen Der Mettler wird wie der SWAN ebenfalls durch die manuelle Eingabe von Vergleichswerten kalibriert Der Sensor wurde mit Hilfe von gleichzeitig gemessenen Indigocarminwerten so lange kalibriert bis die Werte stabil bleiben und der Konzentration der Indigocarminmethode entsprechen Eine Nachkalibrierung des Mettlers ist unvermeidbar da nach einer Nutzungsdauer von ca 700 Stunden die Werte eine starke Streuung aufweisen und vom Indigocarminmesswert abweichen Bleibt dieser Wartungszyklus konstant h lt sich der Aufwand mit einer Kalibrierung pro Monat jedoch in Grenzen Bei der Kalibrierung des Orbisphere wird der Sensor aus der eigens vorge
291. p HUEBER GmbH 2010 TUM ESAU amp HUEBER GmbH 2010 Auf F rderprogramme des BMBF NADINE Nanoskalare Modifikation von diamantbeschichteten Elektroden f r Inlinedesinfektionszwecke in unterschiedlichen Einleitung Einsatzgebieten und des BMWi Entwicklung eines Verfahrens zur Desinfektion von Brauereianlagen mittels ozonhaltigen Wassers wird im Anhang n her eingegangen Aufgabenstellung Die vorliegende Arbeit zielt auf eine Vielzahl an Parametern und Vorgaben sowohl in technologischer Hydraulik GMP Richtlinien Thermodynamik etc als auch in wirtschaftlicher Hinsicht ab die im Folgenden erl utert sind e Festlegung und berpr fung relevanter Parameter f r einen l ngerfristigen Elektrodenstackbetrieb o Systemdruck Wassertemperatur Stromdichte Leitf higkeit des Wassers Polarisations und Entkalkungsroutinen o Reduzierung von Kalkablagerungen auf der Elektrolytmembran durch gezielt hervorgerufene Turbulenzen im Inneren des Reaktors o Erh hung der Langlebigkeit des Elektrodenstacks durch Einf hrung von Polarisationsroutinen und Entkalkungen o Erh hung der Laufzeiten der Elektroden was gleichzusetzen ist mit der Reduzierung der auf den Stack wirkenden Belastung bzw Kraft bei Druckschl gen oder pl tzlichen Volumenstromschwankungen e Konzeption und Konstruktion eines ad quaten Reaktorgeh uses zur Implementierung von bordotierten Diamantelektroden und zur Performanceverbesserung o Untersuchunge
292. pendencies of the ozone generation of the parameters pressure temperature and water conductivity are determined as well as the half life of electrolytically generated ozone is tested at different current densities In addition supported by the development of routines for the polarization and decalcification of the electrodes the ozone power loss caused by limescale and the primarly observable increase of resistance was lowered to a reasonable level The totality of these tests enables the design of an integrated control system for the demonstration plant which is apparent in conformity with current GMP standards and the application of a scale up system from the original laboratory equipment For the heart of the system the so called electrode stacks which is the unit of several stacked plate electrodes out well for the time being from the laboratory level then in practice scale with the help of optical transparent modular systems to identify all hydraulic opportunities for engagement and optimization an optimal reactor was configured to fully utilise the performance of this technology The application oriented determination of the pressure chamber filling sodium bisulfite also allows a safe solution in terms of optical and stability issues Process engineering studies on surface disinfection represent another main point of this thesis In addition to the detailed analysis of the increasing and decreasing of the ozone concentrations in rea
293. ponenten der Elektrolyseanlage sind ber die Steuerung ausfallgesichert bzw ihr Ausfall wird ber die Alarm und Warnmeldungen umgehend signalisiert Gerade wegen der hohen Anzahl an Komponenten besteht jedoch immer die Gefahr dass deren Zusammenspiel auch durch den Eingriff des Anwenders gest rt wird ein Beispiel hierf r w re eine manuelle Ventil ffnung w hrend der laufenden Desinfektion Durch die verschiedenen Bedien und Berechtigungsebenen sollte aber auch an dieser Stelle das n tige Ma an Sicherheit gew hrleistet sein 197 Diskussion der Ergebnisse Feste abgeschirmte Verkabelungen und ein fixierter Schaltschrank sorgen letztlich auch f r eine gen gende Sicherheit im Hinblick auf den hohen Elektrolysestrom der zur Elektrodenspeisung notwendig ist Bis auf die turnusgem en Wartungen sollte damit der Kontakt des Anwenders mit stromf hrenden Anlagenbauteilen eliminiert werden 5 6 Wirtschaftlichkeitsberechnung gegen ber konventionellen Desinfektionsverfahren Als Abschluss der Arbeit sollen Amortisationsrechnungen unter Beweis stellen dass sich der teuer geltende Einsatz von Ozon vor allem bei Verwendung von Diamantelektroden bei einer fairen und realistischen Einsch tzung aller Kostenarten zumindest einem konventionellen Desinfektionsverfahren ebenb rtig ist Alle unten aufgef hrten Angaben entsprechen einer voll ausgelasteten Brauerei mit einem Jahresaussto von ca 70 000 hl und wurden auf Basis der Erken
294. ppmh Probe 1 B Rz vorher Probe 2 Probe 3 PPs vor der Ozonierung Probe 2 E vorher Rmax STABWN Bewertungs kriterien Optik Gesamtheit Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Probe 3 B Ra vorher werkstofftypisch Keine Auff lligkeiten optische Inertheit Anhang Probe 1 8 nachher PPs statistischer Wert Phase Beschreibung PPs 100 ppmh Probe 2 Rmax nachher Gravimetrie g Probe 1 Probe 2 Probe 3 Probe 3 8 Ra nachher statistischer Wert Oberfl chenrauhigkeit um Probe 1 Probe 2 Masse Mittelwert 14 9875 15 2722 15 2284 Ra Mittelwert 0 054 0 055 Ra STABWN 0 006 0 009 Rz Mittelwert 0 577 0 492 unbehandelt Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00031 0 00026 0 00016 14 9887 15 2746 15 1213 R STABWN 0 156 0 109 Rmax Mittelwert 1 113 0 741 Rnax STABWN R Mittelwert 0 662 0 366 Masse STABWN 0 00003 0 00001 0 00001 R STABWN Ozonbehandlung ca 100 ppmh Mittelwert Differenz 0 0022 R Mittelwert Rz STABWN prozentuale Differenz BBS statistischer Wert Phase Beschreibung 0 0438 Ferritgehalt Rmax Mittelwert Probe 1 Probe 2 Probe 3 unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Probe 1 2 Rz vor
295. pr fung der Reinigbarkeit von Apparaten Maschinen und Anlagen Die Bedingung zur Durchf hrung des Tests ist die freie Zug nglichkeit der zu berpr fenden Oberfl chen Das auch unter dem Trivialnamen Vitamin B 2 bekannte Riboflavin ist schlecht wasserl slich wird durch die Einwirkung von Licht zerst rt und fluoresziert unter UV Licht der Wellenl nge 365 nm gelb gr nlich s Abbildung 28 Ziel des Riboflavintests ist die Detektion von eventuell nicht ber 72 Material und Methoden eine Reinigungsarmatur erreichbaren Stellen im System und im Umkehrschluss dazu die berpr fung der vollst ndigen Reinigbarkeit des Bauteils VDMA 2007 Zur Testdurchf hrung wird eine L sung aus 0 2 g Riboflavin und 1 Liter demineralisiertem Wasser hergestellt wobei optional auch bis zu 5 g HEC Hydroxyethylcellulose beigemischt werden k nnen alle Mischungsverh ltnisse basieren auf Erfahrungswerten und sind so nur als Richtwerte zu kategorisieren VDMA 2007 HEC steigert die Viskosit t der L sung und so auch die Schichtdicke nach Auftragung z B in der Vertikalen Die L sung stellt im Test die Verunreinigung dar und wird direkt nach Herstellung und Durchmischung auf die Anlagenbauteile aufgebracht Danach wird die eigentliche Reinigungsprozedur durchgef hrt wobei nach definierten Zeiten abgestoppt wird um auch den kurzfristigen Erfolg von z B Reinigungsarmaturen festlegen zu k nnen Mittels Sichtpr fung werden Bauteile nach Beendi
296. r hen des ozonbeladenen Wassers durch die Spr hkugel m glich 149 Ergebnisse Versuche im Laborma stab Als Vorbereitung f r und zur Absch tzung der ben tigten Stromst rken bzw Ozonexpositionen in den Praxisversuchen werden mit den beiden oben beschriebenen Versuchsaufbauten verschiedenartige Tests auf Laborebene durchgef hrt S mtliche mikrobiologischen Untersuchungen in diesem Abschnitt wurden am Lehrstuhl f r mikrobielle kologie in Weihenstephan durchgef hrt die Expertise der Keimisolierung aufzucht aufbringung einbringung und trocknung liegt wie die Keimzahlbestimmung beim Personal des Lehrstuhls Alle nachstehenden Versuche wurden unter folgenden Parametern durchgef hrt e Volumenstrom 4 0 l min e Stromst rken 2 5 nur bei Tankdesinfektion und 5 0 A e Matrix Freisinger Stadtwasser mit ca 620 uS cm e Verwendung von Validierungskeimen o Mobile Phase Escherichia coli Staphylococcus aureus Aspergillus niger Saccharomyces cerevisiae Angetrocknete Keime Staphylococcos aureus Aspergillus niger Saccharomyces carlsbergensis W 34 70 Tankdesinfektion Saccharomyces carlsbergensis W 34 70 e H chstm gliche Keimzahl zu Beginn der Desinfektionsversuche zur Eruierung m glichst vieler MLK Stufen E coli ca 1 x 10 KBE ml S cerevisiae ca 2 x 10 KBE ml S carlsbergensis ca 2 x 10 KBE ml S aureus ca 1 10 KBE ml A niger 2 x 10 e Bestimmung einer Wie
297. r Elektrode ankommen w rde Als g nstiger erweist sich hier die Verfahrensweise Frischwasser im Tank vorzulegen und dieses im Kreislauf immer wieder an der Elektrode vorbeizuf hren und so die Ozonkonzentration bis zu einem gew nschten Ma aufzubauen 125 Ergebnisse Auslegung nach Tankgr e und Sumpfvolumen Entscheidend f r das Sumpfvolumen ist dass sich aufgrund der Ansaugung durch die Pumpe keine Trombe bilden kann Der Einsatz einer selbstansaugenden Pumpe und damit verbundene Gassch be sind bei dem Prozess aufgrund der Trockenlaufgefahr der Elektroden nicht zweckm ig Durch Tests vor Ort wurde eruiert dass sowohl bei dem 220 hl fassenden G rtank als auch bei dem zylindrokonischen 40 500 Sumpfvolumen dem Minimum entsprechen Hinzu kommen noch die etwaigen Verluste ber die Online Ozonmessungen deren Abw sser in keinem Fall zur ckgeleitet werden sollten SWAN Farbstoffe bzw Amperometrie Beladung verbraucht Damit resultiert beide Male Sumpfvolumen von 500 I Ma stab des f r die zur praktischen Validierung zur Verf gung stehenden G rtanks ist also ca 500 Sumpf w hrend der Reinigung Desinfektion 22 bzw 4 m Volumen und ca 12 m h Umw lzvolumenstrom Der Umw lzvolumenstrom entspricht einer vorl ufigen Sch tzung gem den Datenbl ttern der Reinigungsarmaturen die in 4 4 konkretisiert wird Zudem sollte das Sumpfvolumen mind 20mal pro Stunde umgew lzt werd
298. r aufgetragenen KBE Wegen der fehlenden M glichkeit einer Entnahme einiger Pl ttchen w hrend der laufenden Desinfektion muss der Prozess zu den gew hlten f nf Zeitstufen 1 5 10 20 und 40 Minuten aufgrund der Normierung auf bliche Desinfektionszeitr ume abgebrochen werden die Pl ttchen m ssen entfernt werden und der Versuch beginnt von Neuem Die Pl ttchen werden danach 10 ml Ringerl sung eingelegt und in einem Ultraschallbad behandelt um mit der blichen Verd nnungsreihe weiterverfahren zu k nnen Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 112 einzusehen 152 Ergebnisse Abbildung 112 Versuchsaufbau angetrocknete Keime Metallpl ttchenaufnahme im R cklauf der Laboranlage Zeitliche Mittlere Logarithmische Keimzahlreduktion angetrocknete Keime Stromst rke 5 A Temperatur 17 C Volumenstrom 4 1 Puffervolumen 2 Leitf higkeit ca 620 uS cm Saccharomyces carlsbergensis y 0 72091 1 4055 0 947 Aspergillus niger y 0 6511 0 6685 R 0 9961 Berechneter MLKI Zeit min Berechneter MLK S aureus Berechneter MLK S carlsbergensis Berechneter MLK A niger Log Berechneter MLK S aureus Log Berechneter MLK S carlsbergensis Log Berechneter MLK A niger Abbildung 113 Zeitabh ngige mittlere logarithmische Keimzahlreduktion angetrocknete Keime 153 Ergebnisse Bei angetrockneten Keimen
299. r die Hitzeresistenz einzelner Spezies dar Aufgrund der hnlichkeit der Desinfektion mittels chemischen Agenzien und Strahlung kann das Konzept des D Wertes auch auf diese Verfahren bertragen werden Der D Wert steht in engem Zusammenhang mit dem sog MLK auf den in 3 3 8 n her eingegangen wird 11 Theoretische Grundlagen Einfluss der Temperatur z Wert Neben der Zeit ist vor allem bei der Verwendung von thermischen Verfahren der Parameter Temperatur f r den Abt tungsprozess von gro er Relevanz Au er bei Ozon und wenigen anderen Ausnahmen l sst sich aussagen dass eine h here Temperatur durch die beschleunigte Reaktionskinetik auch die Desinfektionsleistung steigert Der z Wert ist definiert als die Temperaturdifferenz in Kelvin die notwendig ist um eine nderung der dezimalen Reduktionszeit um eine Zehnerpotenz zu bewirken Wallh u er 1995 Der z Wert entspricht wiederum mathematisch formuliert der Steigung der Thermal Death Time TDT Kurve Evers et al 2008 Kramer et al 2008 2 2 Verfahrenstechnik der Desinfektion Die Desinfektion von Oberfl chen geht zum gr ten Teil mit der vorherigen Reinigung einher was in der Regel insgesamt als CIP Reinigung ausgef hrt wird Kulozik et al 2010 Diese umfasst die Reinigung und Desinfektion von produktber hrten Fl chen von Verpackungen Maschinen und Anlagen oder Lager und Transportvorrichtungen wobei gem Definition keine wesentliche Demontage
300. r projects in the field of food and pharmaceuticals production Einleitung 1 Einleitung Die Lebensmittelerzeugung ist ein Industriezweig der heutzutage immer st rkeren Kontrollen unterworfen ist Der Lebensmittelproduzent hat die Pflicht hochwertige Produkte mit m glichst gleichbleibender Qualit t f r den Markt zur Verf gung zu stellen Hierzu bedarf es unter Anderem der intensiven Pflege der zur Herstellung der Lebensmittel eingesetzten Ger tschaften weshalb aufgrund der Verderblichkeit der meisten Produkte bei jedem Chargenwechsel eine vollst ndige und r ckstandsfreie Reinigung und Desinfektion aller produktber hrten Fl chen gew hrleistet sein muss um Kontaminationen unter allen Umst nden verhindern zu k nnen TUM ESAU amp HUEBER GmbH 2010 In vielen F llen m ssen die Beh ltnisse deshalb nach jeder Charge oder zumindest in regelm igen Abst nden desinfiziert werden um Bakterien Viren Pilze und Sporen abzut ten Hierzu stehen f r die verschiedenen Desinfektionsaufgaben die unterschiedlichsten Desinfektionsmittel und verfahren zur Verf gung Wallh u er 1995 Die Anforderungen die an ein Desinfektionsmittel in der Lebensmittelindustrie gestellt werden sind jedoch gegenl ufig Einerseits soll das Desinfektionsmittel eine zuverl ssige und l ckenlose Wirksamkeit besitzen andererseits sowohl von seinem Gef hrdungspotential in Richtung Personal Produkt und Material v llig unbedenklich sein als auch um
301. ran Becker et al 2008 49 Theoretische Grundlagen In Abbildung 15 sind die vor allem zwischen Elektrode und Feststoffpolymer Membran vorhandenen Verkalkungen zu sehen Haupts chlich treten diese in den spitzwinkligen Ecken des Streckgitters auf was auf den Mangel hydraulischer Turbulenzen in diesen Bereichen zur ckzuf hren ist Aus der speziellen Geometrie zwischen Streckgitter und Feststoffpolymer resultieren Bereiche h herer Stromdichten und berspannungen die als Arbeitszonen bezeichnet werden Lagern sich die Kalkagglomerate in diesen Bereichen in denen im brigen auch der Hauptteil des Ozons generiert wird an kann dies durch die Aufzeichnung der Klemmspannung dokumentiert werden Dadurch dass sich der Abstand zwischen den Elektroden und der Membran vergr ert und Kalk mit einer relativ schlechten spezifischen Leitf higkeit den Gesamtwiderstand des Systems erh ht steigt gem des ohm schen Gesetzes die Klemmspannung linear dazu an Einige Beispiele hierzu folgen im Ergebnisteil Die Ausf llungen bestehen haupts chlich aus Calcium und Magnesiumcarbonat sowie den Elementen Silizium Barium und Sauerstoff s Abbildung 16 Becker et al 2008 Abbildung 16 R ntgenfluoreszenzanalyse der Ausf llungen an einer BDD Elektrode Becker et al 2008 Durch das so genannte Umpolen Polarisationswechsel d h die Umkehr des Stromflusses und den damit verbundenen Tausch v
302. rationsschritt kann das Superoxidradikal dessen Entstehung in Gleichung 8 beschrieben wird zur Reduktion des dreiwertigen Eisens verwendet werden s oben Niaounakis et al 2006 Hierf r muss die typische Fenton Reaktion nur mit der UV Behandlung gekoppelt werden wof r der Begriff Photo Fenton Reaktion steht Stasinakis 2008 Kiefer 2002 H O be OH e Gleichung 32 Oe Fe v gt Fe 0 Gleichung 33 33 Theoretische Grundlagen Titandioxid Die Anwendung des Halbleiters Titandioxid in Verbindung mit UV Licht stellt den letzten AOP in dieser Reihe dar Titandioxid kann als Katalysator fungieren da es auf seiner Valenzschale labile Elektronen aufweist Kommt es zur Bestrahlung dieser mit langwelligem UV Licht werden diese angeregt und es ist ihnen m glich ihr Valenzband zu verlassen und die energiereichen Stellen des Leitungsbandes zu besetzen Valenz und Leitungsband stellen Teile eines Energiemodells f r Halbleiter und Isolatoren dar so bezeichnet man als Valenzband das h chste Energieband am absoluten Nullpunkt der Temperatur dieses Band ist gew hnlich vollst ndig besetzt au er die Elektronen werden angeregt und steigen zum n chst h hergelegenen Band welches durch eine so genannte Bandl cke vom Ursprungsband getrennt ist auf Ayala 2009 Die derartig entstandenen leeren Pl tze bezeichnet man als h L cken wobei die Einheit h f r das Planck sche Wirkungsquantu
303. raturaussage dass die Keimart eine nur geringe Resistenz aufweist Bei Lopez G lvez et al 2008 wird innerhalb von 60 Minuten allein durch die Einwirkung von mittels Corona Entladung hergestelltem Ozon eine Mikroorganismenreduktion der getesteten Subspezies um 5 9 log Stufen erreicht bei der Kombination von UV Licht und Ozon sogar von 6 6 log Stufen Eine Dezimierung um Faktor 5 konnte die gleiche Forschergruppe wiederum bei der getesteten Subspezies bei einem CSB von 60 mg l innerhalb von 0 9 min erzielen Dieser CSB Wert entspricht einer realistischen Vorgabe f r das Rinswasser nach einer Tankreinigung 190 Diskussion der Ergebnisse Bei den Versuchen mit angetrockneten Keimen sinkt die Desinfektionsleistung im Vergleich zu den Suspensionstests ab Erkl rbar ist dies durch die fehlende Oxidationskraft der nur in Anodenn he wirksamen Hydroxylradikale die nur noch auf abgesp lte Keime wirken Es zeichnet sich jedoch eine eindeutige logarithmische Abh ngigkeit der Abt tung von der eingesetzten Ladung ab Den Abschluss der Laborversuche bilden die Tankdesinfektionen die mit bis zu 6 log Stufen wiederum eine erhebliche bessere Abt tungseffizienz als beim vorhergehenden Versuch attestieren Dieser Effekt ist darin begr ndet dass die Tankdesinfektion einer Mischung der beiden vorangegangenen Versuchsreihen darstellt und lediglich die mikrobiologische Belastung des Rinswassers berpr ft wird So k nnen die Hydroxylradikale w
304. rebene heraus danach auch im Praxisma stab unter Zuhilfenahme optisch zug nglicher Baukastensysteme zur Eruierung s mtlicher hydraulischer Eingriffs und Optimierungsm glichkeiten die Reaktorkonfiguration mit der bestm glichen Technologieperformance ausgew hlt Die Eruierung der applikationsorientierten Druckraumf llung Natriumbisulfit erm glicht eine ebenfalls unter optischen und stabilit tsgeschuldeten Aspekten sichere L sung Verfahrenstechnische Untersuchungen zur Oberfl chendesinfektion stellen einen weiteren Hauptpunkt der Arbeit dar Neben der detaillierten Analyse des Ozonauf und abbaus in realen zyklischen Systemen geht die Spr hkugel als die effektivere Reinigungsarmatur im Vergleich zum Schwallreiniger aus dem Auswahlverfahren hervor Die Best tigung des Oberfl chendesinfektionseffekts von Ozon erfolgt ber mikrobiologische Test sowohl an speziellen Konstruktionen im Labor als auch an einem tats chlich im Einsatz befindlichen Brauereitank Hierf r erweist sich der Einsatz eines im Vergleich zur Standardmikrobiologie sehr schnell durchf hrbaren ATP Biolumineszenztests als sehr praktisch und hinreichend exakt Aus dem Vergleich dreier Online Sensoren f r gel stes Ozon geht der kolorimetrische Sensor als die g nstigste Alternative hervor In einem umfangreichen Materialtest wird auf die Vertr glichkeit g ngiger Rohrleitungs und Plattenmaterialien eingegangen wobei ebenfalls bliche Dichtungselastomere der Ozonexposit
305. reundlichkeit freiheit Beim Punkt Wartungsfreundlichkeit fallen nur Materialien negativ auf die einer mikrobiologischen Kontamination unterworfen sind und somit turnusm ig ausgetauscht werden m ssten Verarbeitung Die Verarbeitung bzw das Einbringen in den Druckraum ist bei Wasser denkbar einfach Deutlich aufw ndiger ist eine F llung mit z B Thermoplasten Zun chst muss das Reaktorgeh use und der Kunststoff auf Temperatur gebracht werden danach erfolgt erst die eigentliche Extrusion im Reaktordruckraum F r diesen Vorgang m ssen spezielle Anlagen gemietet oder angeschafft werden was eine F llung mit thermoplastischen Kunststoffen unwirtschaftliich macht Bei einer F llung mit Paraffin w ren zwar hnliche 182 Diskussion der Ergebnisse Prozessbedingungen erforderlich jedoch kann zumindest auf spezielle Anlagen zur Extrusion verzichtet werden Mechanische Eigenschaften Bei den mechanischen Eigenschaften sind die fl ssigen Stoffe im Vorteil Sie unterliegen keinen mechanischen Spannungen oder Materialfehlern Ph nomene wie Rissbildung oder Lunker k nnen ausgeschlossen werden Physiologische Unbedenklichkeit F r die Bewertung der physiologischen Unbedenklichkeit spielen Gefahrenquellen bei der Verarbeitung und Wartung eine Rolle Bei der Verarbeitung von Thermoplasten werden hohe Temperaturen erreicht Bei unsachgem er Handhabung k nnen Verbrennungen nicht ausgeschlossen werden Bei der Verarbeitung vo
306. rid und Bromidkonzentrationen zeigt dagegen eine deutliche Abnahme w hrend der Behandlung Im worst case Modellwasser konnte die Bildung toxischer chlor und bromhaltiger organischer Verbindungen wie AOX adsorbierbare organisch gebundene Halogene und Trihalomethane nachgewiesen werden wobei der festgelegte Grenzwert f r THM im Trinkwasser allerdings nicht erreicht wurde Ein Anstieg der anorganischen Desinfektionsnebenprodukte wie Bromat oder Chlorat die theoretisch und auch gem der Fachliteratur in bromid und chloridhaltigem Wasser auftreten k nnen konnte nicht bewiesen werden Die Resultate zeigten dass selbst im worst case Modellwasser nach intensiver Ozonisierung ber 30 Minuten hinweg bei hohen Stromst rken bis 5 A keine relevanten Mengen an toxikologisch bedenklichen Desinfektionsprodukten nachgewiesen 194 Diskussion der Ergebnisse werden konnten Bei einem Puffervolumen von 2 entspricht dies einer Ladung von 1 25 Ah pro Liter Modellwasser die deutlich die Ladung bei den mikrobiologischen Versuchen bzw erfolgreichen Desinfektionen im Praxisma stab bersteigt Hier werden bei einer Stromvorgabe von 320 A und 500 Sumpfvolumen bei 20min tiger 0 25 Ah je Liter bzw bei 40 Minuten Desinfektion ca 0 5 Ah je Liter eingebracht vgl 4 4 3 Heim 2011 Analog zu den Laborversuchen wurde diese Versuchsreihe auch in der Demonstrationsphase weitergef hrt parallel zu den mikrobiologischen Versuchen s 4 4 3 wur
307. rift Indirekte Messung von Ozon mit der Indigo Methode nach Hoigne 1981 2006 Condias GmbH 2007 Desinfektion mit Diamantelektroden Brosch re Itzehoe s n 2007 Literaturverzeichnis Condias GmbH 2005 DIACHEM Electrodes for wastewater treatment a new type of electrochemical AOP Brosch re Itzehoe s n 2005 1990 Handbook of Chemistry and Physics Hrsg D L Lide Boca Raton CRC Press 1990 Criegee R 1975 Mechanism of Ozonolysis Angewandte Chemie International Edition in English 1975 14 5 745 752 Crittenden J C et al 2005 Water treatment Principles and Design 2 New Jersey Wiley 2005 d Ans J und Frey W 1912 Bericht der deutschen chemischen Gesellschaft 1912 Bd Il 5 1845 1858 Delgado A 2004 Skript Str mungsmechanik Skript Freising Weihenstephan Lehrstuhl f r Str mungsmechanik 2004 Denk R 2007 GMP Berater Band 4 Containment amp Hygienic Design 2 Schopfheim Mass amp Peither AG GMP Verlag 2007 S 56 63 Deutsches Institut f r Normung e V DIN 2009 DIN 10516 2009 05 2009 S 3 Deutsches Institut f r Normung e V DIN 1974 DIN 4768 Blatt 1 Aug 1974 Ermittlung der Rauheitsmessgroessen R tief a R tief z R tief max mit elektrischen Tastschnittgeraeten Grundlagen Berlin West s n 1974 S 4 Deutsches Institut f r Normung e V DIN 1995 DIN EN ISO 2178 1995 Nichtmagnetische berz ge auf magn
308. rn nicht unterdr ckt werden da ihre Bildung sehr stark mit den organischen Bestandteilen des Wassers zusammenh ngt Teiloxidationen k nnen zur Bildung eben solcher Metabolite f hren Hierbei bietet nur eine Minimierung der Ozonkonzentration die M glichkeit einer Begrenzung der Nebenproduktbildung was jedoch durch die diversen additiven Desinfektionsmechanismen an der Diamantelektrode Erzeugung eines pH Gradienten diverse sekund re Redoxsysteme wie z B Sulfat Persulfat direkte Oxidation ber Hydroxylradikale in der Regel auch m glich ist Dieser Vorteil in mikrobiologischer Hinsicht wird im n chsten Abschnitt nochmals detailliert dargestellt Grunds tzlich ist die Senkung der Ozonkonzentration auf ein applikationsbezogenes Minimum in Bezug auf die Bildung jeglichen Desinfektionsnebenprodukts als positiv zu werten Jedoch muss zus tzlich die jeweilige Wassermatrix berpr ft werden um vor allem bei mehrfacher Behandlung des Wassers wie z B bei der Oberfl chendesinfektion die TVO noch einhalten zu k nnen insofern notwendig Im g nstigsten Fall sollte die Anwendung elektrolytisch generierten Ozons auf Laborebene berpr ft werden Abt tungsraten mit BDD Elektroden F r die Anwendung von Ozon in der Trinkwasserdesinfektion gibt es diverse Anhaltspunkte was die Konzentrationen und Einwirkzeiten f r konventionell hergestelltes betrifft s 2 4 1 Gerade wegen der zus tzlichen desinfizierenden Mechanismen BDDs
309. robe 3 Rnax STABWN Bewertungs kriterien Optik Gesamtheit Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten werkstofftypisch Matte Oberfl che angerauhte Schleifstellen Anhang NBR Phase Beschreibung statistischer Wert Gravimetrie g Probe 1 Probe 2 Probe 3 Bewertungs kriterien Optik Gesamtheit unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh EPDM Masse Mittelwert 1 5427 1 5249 1 5765 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00003 1 5337 0 00007 1 5179 0 00002 1 5652 Masse STABWN 0 00003 0 00001 0 00001 Mittelwert Differenz 0 0091 Phase Beschreibung prozentuale Differenz statistischer Wert 1 7739 Gravimetrie g Probe 1 Probe 2 Probe 3 Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Oberfl che Spr digkeit Farbe Glanz Auff lligkeiten Bewertungs kriterien werkstofftypisch Matte Oberfl che dunkle Flecken vereinzelt wei e Ablagerungen Ausl sungen Schrift deutlich angegriffen sp rbare Verspr dung Optik Gesamtheit unbehandelt Ozonbehandlung ca 100 ppmh Silikon Masse Mittelwert 1 3782 1 3622 1 3610 Masse STABWN Masse Mittelwert 0 00008 1 3781 0 00006 1 3616 0 00012 1 3607 Masse STABWN 0 00002
310. rptionskoeffizienten da das Verh ltnis in der Atmosph re zu ca 4 1 definiert ist Dieser Zusammenhang gilt nat rlich nur bei gew hnlicher Luft und bei vorher nicht entgastem und ann hernd gas ges ttigtem Trinkwasser H ll 2002 Als weitere Hauptparameter f r die potentiell in Frage kommenden Desinfektionsnebenprodukte werden die bereits in 2 4 1 erw hnten Trihalogenmethane Bromat Chlorat Sulfat Nitrat und organischen S uren herangezogen Bei den Trihalogenmethanen konnte in einer Untersuchung zur Trink und Brauchwasserdesinfektion im Rahmen von Untersuchungen an der TU M nchen mit 38 Theoretische Grundlagen Freisinger Stadtwasser keine Erh hung der Eingangskonzentration festgestellt werden S mtliche Werte blieben unter der Nachweisgrenze Noll 2006 Bei derselben Untersuchung konnte auch festgestellt werden dass kein signifikanter Zusammenhang zwischen Ozon und Nebenproduktkonzentration besteht Ebenso wurde der WHO Grenzwert von Chlorat bis zu einer Konzentration von 1 mg l nicht berschritten Beim Bromat kann nach der derzeitigen TVO nur bis ca 0 6 mg l Konformit t gew hrleistet werden wobei die jeweilige Wassermatrix in diesem Zusammenhang die gr te Rolle spielt Bei ausreichend niedrigen Bromidkonzentrationen k nnen durchaus h here Ozonbeladungen erreicht werden ohne die Trinkwasserkonformit t einzub en Noll 2006 Die Entstehung von organischen S uren und Aldehyden kann insofe
311. rscheinen die grunds tzlich kalten Temperaturen in Brauereikellern als g nstig die Fachliteratur spricht sogar davon dass Ozon grunds tzlich bei k lteren Temperaturen besser wirkt Wallh u er 1995 Der Anlagendruck nimmt hingegen keinen bedeutenden Einfluss auf die Ozongenerierung an dieser Stelle sollten auch keine Eingriffe in das bestehende Reinigungs und Desinfektionsregime durchgef hrt werden Die max 5 mehr Ozonleistung stehen in keiner Relation zu den potentiellen Energiekosten f r die Druckerh hung Ein wiederum g nstiger Parameter der sich noch dazu ohne u ere Einwirkung bzw zwangsl ufig einstellt ist der Druck im zu behandelnden Tank Dieser folgt zumindest im Bereich der angestrebten Anwendungskonzentrationen dem Henry schen Gesetz und erh ht damit automatisch den Ozonmassenstrom und so die Desinfektionswirkung Auf die Leitf higkeitsabh ngigkeit der Ozongenerierung kann nur bedingt eingegangen werden Aus rein verfahrenstechnischer Sicht macht eine Verwendung von Brau oder vorenth rtetem Wasser aufgrund des geringen Effizienzverlusts nur bei einer sehr hohen geogen bedingten Leitf higkeit Sinn F r die Langlebigkeit des Stacks jedoch erscheint diese berlegung als sinnvoll s 6 2 Die Verwendung von gew hnlich aufbereitetem Brauchwasser bringt den Vorteil einer Wiederverwendung des Wassers f r Reinigungs oder Sp lzwecke Auf Basis der Versuche mit den beiden Reinigungsarmaturen geht her
312. rsehen die einzig und allein dem Schutz der Elektrode im Vorlauf und der R ckhaltung von eventuell durch Umpolungen oder hydraulische Vorg nge abgel ste Kalkagglomerate dienen Beide Elemente k nnen durch Manometer kontrolliert werden und mittels einer Bypassventilstellung r ckgesp lt werden insofern der Differenzdruck unerwartet hoch erscheint ber die pH Leitf higkeits Druck Ozon und Volumenstrommessung ist die Minimalanforderung an Messtechnik verbaut die f r die Versuche notwendig ist Die Sensorausgaben k nnen hnlich der Hauptanlage aufgezeichnet werden Durch die Ventilstellung im Anlagenr cklauf und die Frequenzregelung der Pumpe ist eine genaue Einstellung der Parameter Volumenstrom und Druck m glich die elementare Gr en in der Validierung darstellen Der Volumenstrom kann ber den Regelzyklus Volumenstrommessung Leistung der Pumpe eingestellt werden Zudem kann in der Anlage durch die Verwendung von Adaptern jeder Reaktor in Kombination mit jeder g ngigen Elektrode eingesetzt werden Einzig und allein die Leistung der Stromquelle max 20 A x 35 V stellt eine Begrenzung dar Die Dosiersysteme erm glichen zum einen eine kontrollierte Aufh rtung des Kreislaufwassers um gezielt Verkalkungen herbeizuf hren zum anderen dienen sie zur direkten Sp lung der eingebauten Elektroden mit warmer mineralischer oder organischer S ure Hierf r wurden Probenahmeventile direkt vor und nach der Elektrode als Zug nge
313. rsistente Schleimhautreizungen Hautvertr glichkeit und Umwelt Transformations und stark tzend geringe Toxizit t Reaktionsprodukte nebenprodukte kaum Geschmacks Gef hrdungs Geschmacksbeeintr ch geringe Geschmacks beeintr chtigungen potential Produkt 8 tigungen Farbverluste beeintr chtigungen R ckst nde Lagerbest ndigkeit Wirkungsspektrum sporozid erst bei hohen teilweise Schaum Wirkungsl cke gegen Temperaturen und bildung R ckst nde sonstige Nachteile Sporenbildner bedingt Konzentrationen Eiwei und K ltefehler korrosiv bedingt korrosiv Wirkungsl cke Sporen Explosivit t Schimmelpilze Kombinationsprozesse mit UV Licht m glich teilweise mit Alkohole Aerosolbehandlungen kombinierbar effektiv aufgrund Zuverl ssigkeit Notl sung in Brauereien Besonderheiten des Verfahrens 18 Theoretische Grundlagen Tabelle 7 Eignung von Alkoholen Aldehyden und Phenolen Desinfektionsmittel Phenol und u bzw verfahren Alkohole Aldehyde Phenolderivate Merkmal Art des Verfahrens chemisch physikalisch chemisch physikalisch chemisch physikalisch Formaldehyd Ortho Phenylphenol Weitere Vertreter Propanol Isopropanol Glutardialdehyd Glyoxal Hexachlorophen Thymol Generelle Eignun 8 E vorhanden vorhanden vorhanden OF Desi Denaturierung von Protoplasmagift Proteinen Adsorption und Dehydratation irreversible Reaktion Denaturierung von Proteine
314. rsorgung und Kabelverbindung zwischen Schaltschrank und Modul s Abbildung Anhang 3 werden gem Beschriftung hergestellt werden die Kabelverbindung ist ein eindeutig gekennzeichnet zus tzlich ist jede Steckverbindung codiert also nur zum jeweiligen Gegenstecker passend Nach Erscheinen des Anlagenstatusbildes s Abbildung 94 k nnen Fehlermeldungen z B Spannungsversorgung unterbrochen s Abbildung Anhang 5 durch Anwahl Alarm Warnung und Quittieren der Alarmhupe und der anstehenden Meldung quittiert werden Alarmfunktionen In diesem Konfigurationsbereich werden Alarmwerte und Verz gerungszeiten zum Ausl sen des Alarms bei Grenzwert berschreitungen parametriert Da diese Schaltpunkte und Alarmwerte auf Interlockkreise von Hardwarekomponenten der Anlage wirken k nnen die Parameter nur von Bedienern mit der minimalen Berechtigung Master ver ndert werden Alarme Strom Spannung s Abbildung Anhang 15 Diese Schaltfl chen sind f r die schnelle Diagnose von Fehlern im Umgang mit den Diamantelektroden zust ndig die Alarme sind auf Basis von Erfahrungswerten voreingestellt dienen zur Durchf hrung einfacher Plausibilit tstests dar Die Mindeststrom und Mindestspannungsfunktion dient zur Detektion von Kurzschl ssen die maximale Soll Ist Abweichung Strom und die Maximalspannung machen das Elektrodenstackalter transparent Grenzwerte Pumpe s Abbildung Anhang 16 In diesem Feld werden die Grenzwerte f r die
315. rsuchsreihen sind ebenso wie die Stromvorgabe von 2 5 A als Vergleichsparameter anzusehen Jede Messreihe wurde wiederum ber eine Dreifachbestimmung mittels Indigocarminmethode abgesichert Abbildung 67 zeigt die Ergebnisse der Auswertung 107 Ergebnisse Elektrodeneffizienz Labor verschiedene Anstr mwinkel Volumenstrom 4 l min Temperatur 16 3 C Strom 2 5 A Leitf higkeit ca 620 uS cm Z Fg 45 H 4 65 70 Elektrodeneffizienz m Elektrodeneffizienz bei 70 Ausbeute Elektrodeneffizienz bei ca 80 Ausbeute Abbildung 67 Prozentuale Elektrodeneffizienen bei verschiedenen Anstr mwinkeln und nach Alterung der Elektrode Die erste Versuchsreihe oben stehender Abbildung wurde nach nur kurzer Gesamtbetriebsdauer der Elektrode aufgenommen die zweite nach einer l ngeren Betriebsphase Die 90gr dige Anstr mung ergibt mit ca 82 bzw 73 Elektrodeneffizienz die h chsten Werte die bei 0 jedoch nicht weit unterschritten werden ca 80 bzw 72 Bei einem Anstr mwinkel von 45 resultiert ein gr erer Unterschied Werte von ca 79 bzw 70 verglichen mit den Werten der 90 Anstr mung Differenzdruckoptimum f r den Ozoneintrag ber eine D senarmatur F r diese Evaluierung wurden austauschbare Plexiglaspl ttchen s Abbildung 64 Pos 6 gem folgender Fertigungszeichnungen eingesetzt s Abbildung 68 und Abbildung 68 15 7 137 6 8 6 8
316. rt Thieme Verlag 1987 5 379 Mrozek H 1996 Grundvorg nge bei der Desinfektion Buchverf G Wildbrett Reinigung und Desinfektion in der der Lebensmittelindustrie 1 Hamburg Behr s Verlag 1996 S 57 f Multhauf M 2006 Betrieb von ozonisierten Reinstwasseranlagen in der Pharmaindustrie Pharmazeutische Industrie 10 2006 68 S 1207 1213 Mutschmann J und Stimmelmayr F 2007 Taschenbuch der Wasserversorgung 14 Wiesbaden s n 2007 S 303 ff Mutschmann J und Stimmelmayr F 2007 Taschenbuch der Wasserversorgung 14 Wiesbaden s n 2007 S 262 Mutschmann J und Stimmelmayr F 2007 Taschenbuch der Wasserversorgung 14 Wiesbaden s n 2007 5 308 ff Literaturverzeichnis Mutschmann J und Stimmelmayr F 2007 Taschenbuch der Wasserversorgung 14 Wiesbaden s n 2007 5 309 Niaounakis M und Halvadakis C P 2006 Olive processing waste management Literature review and patent survey 2 2006 S 4 ff Nissen J 1986 Rationelle Erzeugung und Anwendung von Ozon Hrsg Universit t Carolo Wilhelmine Dissertation Braunschweig s n 1986 S 27 Noll J 2006 Entkeimung von Brau und Brauchwasser mittels Ozon nach dem Verfahren ESAZON Freising TU M nchen Weihenstephan 2006 Ose R 2003 Elektrotechnik f r Ingenieure 2 Leipzig Carl Hanser Verlag 2003 S 121 f Ostwald B 2009 Ozoniertes Wasser als Reinigungs und Desinfekti
317. ruckverlustberechnung f r eine DN 50 Carnot Armatur bei 12 m h und einer Bohrung von 32 mm Lichte Weite d 32 m m 4 145 EE Ap Jet In obiger Tabelle 29 wird der Druckverlust einer Carnot Armatur in der Hauptnennweite 50 und einer Bohrung von 32 mm zu knapp 30 mbar bestimmt Selbst bei dem bereits festgelegten Maximalvolumenstrom von 15 9 mh liegt der Druckverlust nur bei knapp ber den limitierenden 50 mbar was die Funktionalit t der D se sicherstellen sollte In hnlicher Form werden die Armaturenbohrungen f r die Einzelstr nge berechnet s Tabelle 30 Tabelle 30 Druckverlustberechnung f r eine DN25 Carnot Armatur bei gleichberechtigten Str mungsverh ltnissen und einer Bohrung von 17 mm Lichte Weite d m m 4895 Ap JL ei JL 20 Bei gleichberechtigten Str mungsverh ltnissen und der Nennweite DN25 ergibt sich f r eine Armaturbohrung von 17 mm ein Druckverlust von knapp 35 mbar Selbst bei leistungsproportionaler Volumenstromverteilung resultiert bei den 6g h Reaktoren ein Druckverlust von knapp 44 mbar was deutlich innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt Lediglich beim 4 g h Reaktor liegt der Druckverlust bei ca 20 mbar was jedoch aufgrund der Ma gabe ganzzahliger Bohrungen toleriert wird Dimensionierung der berschussgasleitung Bei den Vorg ngen an den BDD Elektroden entstehen gasf rmige Verbindungen die ber eine Schwimmerentgasung mittels Schlauchleitung
318. s bei der Charakteristik des Ozons beschrieben verf gt es ber eine um Gr enordnungen schnellere Kinetik bzw reagiert bereits bei sehr geringen Dosen mit Mikroorganismenw nden mit letaler Wirkung Bei der Anwendung gegen ber vitalen coliformen Keimen konnte eine ca 3000fach schnellere Abt tung bei gleicher Konzentration festgestellt werden w hrend bei sporulierten Keimen DU sogar trotz 28 Konzentration immer noch eine 300fach schnellere Kinetik vorliegt Gesamtfaktor 8400 bei der Exposition Bei Viren c ist diese Diskrepanz zwar nicht ganz so gro jedoch bleibt immer noch ein Gesamtfaktor von ca 500 erhalten bleibt 26 Theoretische Grundlagen Tabelle 10 Vergleich der Desinfektionswirkung von Ozon und Chlor nach Bringmann und Kessel FIGAWA Arbeitskreis Ozon 1985 Vergleich der Desinfektionswirkung von Ozon und Chlor nach Bringmann und Kessel Pos Desinfektions Zusatz letale mittel mg l Wirkung s a coliforme ml Ozon 0 1 5 350 Sporen Chlor 1 4 9000 b subtilis ml Ozon 0 05 30 PM Virus Inaktivierung St mme MV Set in 180 min c und LE Virus Suspension Ozon 0 05 0 46 Inaktivierung 1 1000 GES in 2 min Aus Abbildung 6 zugeh rige Wertetabelle s Tabelle 11 l sst sich schlie en dass grunds tzlich niedrigere Konzentrationen zu h heren Einwirkzeiten f hren So kann z B bereits eine Dosis von 0 2 mg l a
319. s der Fehler der beim Einstellen des Volumenstroms durch den Anwender entsteht beim SWAN vernachl ssigbar klein ist und dass bei Prozess nderungen keine Nachjustierungen notwendig sind Dadurch erhalten die Messwerte des SWAN im Gegensatz zu denen des Orbisphere eine gro e Repr sentativit t 5 5 Risikobewertung 5 5 1 Beurteilung des Materialtests Mit der Bewertung der einzelnen Materialien gehen Einsch tzungen ber deren Lang und Kurzzeiteignung in Kombination mit Ozon einher s Tabelle 43 und Tabelle 44 Tabelle 43 Lang und Kurzzeiteignung Thermoplaste und Edelst hle Plattenmaterial Verrohrung Modulbau Reaktorbau Langzeiteignung EEN O Kurzzeiteignung 193 Diskussion der Ergebnisse Tabelle 44 Lang und Kurzzeiteignung Elastomere Keramik Werksion I Nom I TEE Tee Dichtungen Elastomere Langzeiteignung gt Kurzzeiteignung gt Mit sehr gute Materialbest ndigkeit gute Materialbest ndigkeit Verbau bedingt m glich von der Integration des Werkstoffs wird abgeraten Bei den Plattenmaterialien wird neben der h herwertigen Edelstahlqualit t V4A und PVDF vor allem PVC HWU favorisiert Dieser Werkstoff ist sowohl preislich als auch verfahrenstechnisch als einwandfrei anzusehen PE HWU und PPs sollten bei der Verwendung von Ozon zu Desinfektionszwecken m glichst nich
320. s m glich erste Erfahrungen mit der aus der Laborebene heraus konstruierten L sung zu sammeln Folgende Abbildung 72 zeigt einen Leistungstest an einem 6g h Elektrodenstack Als variable Parameter dienen der Volumenstrom 1 2 3 4 5 6 und 10 m h und der Elektrolysestrom 30 60 90 und 120 A Der Versuch wird im Durchlauf mit Schrobenhausener Leitungswasser durchgef hrt Bis zu einem Volumenstrom von 5 mh l sst sich jeweils eine deutliche Ozonleistungssteigerung erkennen Im Vergleich der Extremf lle handelt es sich um eine ann hernd 100 ige Steigerung Ab besagten 5 mh sind die Leistungstests absolut deckungsgleich die Trendlinien und Regressionen sind identisch Somit l sst sich ab diesem Zeitpunkt keine Erh hung der Effizienz feststellen Letztendlich k nnen nur 66 der Nominalleistung des Stacks erreicht werden Wiederum k nnen durch die Ermittlung der durchstr mten Fl che die Reynoldszahlen f r die einzelnen Volumenstr me ermittelt werden und so ein dimensionsloser Zusammenhang aufgezeigt werden s Abbildung 73 111 Ergebnisse Stromausbeute in Abh ngigkeit der Reynoldszahl Reaktorstudie 1 Temperatur ca 13 C Leitf higkeit ca 510 uS cm 2 42941n x 14 431 R 0 9475 2 1906In x 13 294 R 0 9229 gt 1 72711 10 845 R 0 9945 WO D 0 81331n x 5 252 R 0 8026 30000 Reynoldszahl S 2 5 E D 5 Ed
321. s n 2010 Literaturverzeichnis Lecher K L hr H P und Zanke U 2001 Taschenbuch der Wasserwirtschaft 8 Berlin Zanke Ulrich 2001 S 856 Lecher K L hr Hans Peter und Zanke U 2001 Taschenbuch der Wasserwirtschaft Hrsg U Zanke 8 Berlin s n 2001 S 856 Leitzke A 2003 Mechanistische und kinetische Untersuchungen zur Ozonolyse von organischen Verbindungen in w ssriger L sung Duisburg s n 2003 S 5 Leitke A 2003 Mechanistische und kinetische Untersuchungen zur Ozonolyse von organischen Verbindungen in w ssriger L sung Dissertation Duisburg s n 2003 S 4 Lenntech AG 2010 Desinfektionsnebenprodukte Ozon Online Lenntech AG 2010 http www lIenntech de desinfektionsnebenprodukte htm Lindemann B 1989 Die Desinfektion in der Brauerei Brauereiforum 1989 2 S 39 40 Lopez G lvez F et al 2008 Disinfection potential of ozone ultraviolet C and their combination in wash water for the fresh cut vegetable industry Food Microbiology September 2008 25 S 809 814 Lopez Galvez F et al 2012 Electrochemical disinfection An efficient treatment to inactivate Escherichia coli 0157 H7 in 5 wash water containing organic matter Food Microbiology Mai 2012 30 S 146 156 Macherey Nagel GmbH 2006 Bedienungsanleitung Photometer NANOCOLOR 500 D Bedienungsanleitung 2006 Macherey Nagel GmbH 2009 BioFix Lumi ATP Schnelltest f r Fl ss
322. sehenen Durchflusszelle abmontiert und an Frischluft gehalten Nach Abschluss des Kalibriermodus kann der Anwender am Display einsehen ob der Vorgang als erfolgreich gilt Die Messwerte sind ber die gesamte Versuchsreihe sehr konstant so dass die Kalibrierung w hrenddessen beibehalten werden kann Verhalten bei Durchflussvariation In den ersten Versuchen zur Sensorvalidierung soll herausgefunden werden ob und wie der Probenahmedurchfluss durch die Durchflusszelle der Sensoren die Messergebnisse beeinflusst Daf r werden sowohl eine konstante Stromst rke 240 A als auch ein konstanter Volumenstrom 12 eingestellt und als Parameter der Probefluss der Sensoren variiert der Betrieb der Anlage erfolgt im Durchfluss bei minimalem berdruck zur Versorgung der Online Sensorik Von diesem Versuch ist der SWAN ausgeschlossen da bei dem System ein konstanter Durchfluss von ca 15 I h durch die Fluidik gew hrleistet wird Wie in 3 3 2 beschrieben ist soll der Probefluss durch die Durchflusszelle beim Orbisphere min 10 I h und beim Mettler zwischen 6 und 30 I h betragen Die Probefl sse f r die Versuche sind so gew hlt dass ein m glichst breites Spektrum abgedeckt werden kann Mit 6 I h wird mit dem geringstm glichen Volumenstrom des Mettlers begonnen Als optimaler Volumenstrom wird der Mittelwert des Mettler gew hlt 18 I h der auch gut mit den Vorgaben des Orbisphere harmoniert w hrend das jeweils Doppelte 36 I h und Vierfac
323. shausen Pallhausen Pellhausen Piesing Plantage Tuching T ntenhausen Untergartelshausen V tting Weihenstephan Wies Zellhausen Zurnhausen mit Probenahmedatum 02 12 2009 Die Technische Universit t M nchen Weihenstephan Wissenschaftszentrum Weihenstephan f r Ern hrung Landnutzung und Umwelt Forschungszentrum f r Brau und Lebensmittelqualit t das die Untersuchung durchf hrte stellt dazu fest Das Trinkwasser Mischwasser entspricht den Anforderungen der g ltigen Trinkwasserverordnung TrinkwV vom 21 Mai 2001 f r die analysierten Parameter Bei der Wasserprobe waren keinerlei berschreitungen der dargelegten Grenzwerte nach Anlage 2 und 3 festzustellen Chemische Parameter deren Konzentration sich im Verteilernetz einschlie lich der Hausinstallation in der Regel nicht mehr erh ht 1 Anlage 2 Teil 1 zu 6 Abs 2 IS ee R e s in Chemische Parameter deren Konzentration im Verteilernetz einschlie lich der Hausinstallation ansteigen kann BR Anlage 2 Teil Il zu 6 Abs 2 Lfd Nr Bezeich 8 Grenzwert mg l bnis i ogen assa inich Pr See 5 ei Indikatorparameter Anlage 3 zu 7 Lfd Nr Bezeichnung Ergebnis unterer oberer inheii Bemerkungen Das Zeichen lt bedeutet dass der betreffende Parameter unterhalb der Nachweisgrenze lag Die Angabe n b bedeutet dass dieser Parameter nicht bestimmt wurde Die Gesamth rte des dargebotenen Trinkwassers von 18 5
324. sichtbare ji keinesichtbare 7 Fluoreszenz Fluoreszenz TI Eluofeszenz 144 Ergebnisse Ozoneinbringungsraten Innerhalb dieser Versuchsreihe sollen die Ozoneinbringungsraten der Spr hkugel und des Schwallreinigers bei 240 A ermittelt und miteinander verglichen werden Das Sumpfvolumen betr gt 500 Liter und wird wiederum im Kreislauf gepumpt Die Ergebnisse des Versuchs sind in Abbildung 105 dargestellt Ozonaufbau 240 A Vergleich Schwallreiniger SR Spr hkugel SK Stromvorgabe 240 A Temperatur 20 21 Volumenstrom 11 SR 12 SK m h Sumpfvolumen 0 5 m Druckverlust 2 8 bar SR 1 5 bar SK 0 0295In x 0 4133 R 0 6395 ka S E 5 0 gt N 30 Zeit min Ozonaufbau SR Ozonaufbau SK Abbildung 105 Vergleich Ozonaufbau bei Spr hkugel und Schwallreiniger bei 240 A Die logarithmische Ozonkonzentrationskurve der Spr hkugel liegt bis auf den Prozessbeginn ber der des Schwallreinigers was bedeutet dass die Ozoneinbringungsrate der Spr hkugel h her ist als die des Schwallreinigers Die Ozonwerte bei Betrieb mit dem Schwallreiniger R 0 6395 streuen st rker als die Werte bei Betrieb mit der Spr hkugel R 0 9239 Auch bei einer Wiederholung des Versuchs wurde eine deutliche Abweichung vom urspr nglichen Modell des logarithmischen Ozonaufbaus festge
325. sinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 S 47 Kramer A und Assadian O 2008 Wallh u ers Praxis der Sterilisation Desinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 S 165 f Kramer A und Assadian O 2008 Wallh u ers Praxis der Sterilisation Desinfektion Aseptik und Konservierung 6 Stuttgart Thieme Verlag 2008 S 161 ff Kreyszig E 1998 Statistische Methoden und ihre Anwendungen 1998 S 191 F Kreyszig E 1998 Statistische Methoden und ihre Anwendungen 1998 S 37 f Kulozik U und Mitarbeiter 2010 Skript Grundlagen der Reinigung und Desinfektion Skript Freising Weihenstephan Lehrstuhl f r Lebensmittelverfahrenstechnik und Molkereitechnologie 2010 Kunze W 1998 Technologie Brauer und M lzer 8 Berlin VLB Berlin 1998 S 402 Kunze W 1998 Technologie Brauer und M lzer 8 Berlin VLB Berlin 1998 S 645 ff Kunze W 2007 Technologie Brauer und M lzer 9 Berlin VLB Berlin 2007 S 588 f Kurzmann G 1993 Ozonanwendung in der Wasseraufbereitung Ehningen expert 1993 S 1 4 Kurzweil P und Scheipers P 2009 Chemie Grundlagen Aufbauwissen Anwendungen und Experimente 4 Wiesbaden Vieweg Verlag 2009 5 172 f Laffer R 2010 Infektionsgefahren OP Optimierungsm glichkeiten Aarau s n 25 Mai 2010 Lang Halter E 2010 Validierungskeime Labor Dokument Freising Weihenstephan
326. sinfektionsmitteln sich l sst kaum oder nur unzureichend beschreiben bzw pauschalisieren M glich sind die komplette Zelllyse oder die Proteindenaturierung von in Zellwand und Zytoplasma lokalisierten Molek len Die Wirkung Theoretische Grundlagen chemischer Desinfektionsmittel l sst sich am besten durch folgenden allgemein g ltigen Ablauf verallgemeinern 1 Anhaftung der Desinfektionsmittel Molek le an die u ere Zellwand Adsorption II Einwanderung ins Zellinnere Penetration irreversible Sch digung lebenswichtiger Funktionen oder Bestandteile der Zelle Schreiner 2008 Rein chemische Desinfektion ist nur bei sauberen oder nach Reinigung der Oberfl chen m glich Entscheidender Pr fparameter hierf r ist der CSB Gehalt des Rinswassers Reinigung und Desinfektion wirken optimalerweise zusammen als rasche l ckenlose und unspezifische Abt tung von Krankheitserregern und Schadkeimen Bodenschatz 2006 Ebenso sollen dabei Keime in der Ruhephase Sporen und Viren effizient abget tet werden Der Vorteil der chemischen Desinfektion liegt darin dass sie abh ngig von der Applikation kosteng nstig schnell realisierbar und teilweise sogar ohne die Installation zus tzlicher wenn auch modularer Anlagenkomponenten anwendbar ist An ein chemisches Desinfektionsmittel werden folgende Anforderungen e gestellt die die zus tzlich erw hnten m glichen Nachteile ausklammern sollen e hohe r
327. srate also die berpr fung der vorher berechneten Keimzahl pro Volumeneinheit Der exakte Ablauf der Einzelversuche wird nochmals in den Ergebnissen dargestellt 2 10 9 KBE Probezug 200 ul 100 ul 100 100 100 fee 9003 Ringerl sung Ringerl sung Ringerl sung Ringerl sung 10 5 KBE 10 5 10 BE aw 10 2 KBE 4 Im 00 ul Im Wa Ou P 00 ul Ausstrichplatten Abbildung 27 Verd nnungsreihe zur Ermittlung der Abt tungsraten mit 2 Puffervolumen Gei 2009 In der oben stehenden Abbildung 27 ist erkennbar dass nach dem zeitabh ngigen repr sentativen Probezug aus dem Puffervolumen eine klassische Verd nnungsreihe angesetzt wird Je nach verbleibender Keimzahl k nnen aus der oder den ausz hlbaren Stufe n im Abgleich zur Wiederfindungsrate die jeweiligen Abt tungsraten errechnet werden Gei 2009 Ermittlung der Abt tungsrate MLK Nach der Bebr tung der auf den passenden Medien ausgespatelten Mikroorganismen werden diese ausgez hlt Der sog MLK mittlere logarithmische Keimzahlreduktion auch log Rate genannt stellt das ma gebliche Ergebnis dieser Ausz hlung dar und wird nach Gleichung 74 berechnet Bei standardisierten Desinfektionsmitteltests spricht man ab einem MLK von 4 von einem Desinfektionsmittel VDMA 2002 Dieser kann automatisch in der digitalen Auswertung errechnet werden Da der Subtrahend f r den Fall einer vollst ndigen Entkeimung nicht definiert
328. st und die berpr fung der Edelstahloberfl chen der mikrobiologischen Validierung wurden jeweils Zehnfachbestimmungen mit dem Perthometer M3P der Firma Perthen durchgef hrt Diese wurde gem DIN EN ISO 3274 mit dem Perthometer M1 der Fa Mahr durchgef hrt Das Ger t basiert auf der Messung mittels Gau Filter einem phasenkorrekten Profilfilter gem DIN EN ISO 11562 Das Perthometer ist mikroprozessorgesteuert und arbeitet nach dem Tastschnittprinzip Es besteht neben Strom und Verbindungskabeln aus dem Perthometer an sich mit der Funktion als Auswerteeinheit einem Vorschubger t und dem sich in diesem Vorschubger t befindlichen Mikrotaster Dieser wird w hrend der Messung mit konstanter Tastgeschwindigkeit ber die vorzugebende signifikante L nge auf der Messoberfl che geschoben wobei eine vertikal bewegliche Tastspitze aus Diamant die Gestalt des Oberfl chenprofils abtastet Ein mechano elektrischer Wandler formt die Auslenkungen der Tastspitze in elektrische Werte um und leitet sie an die Auswertung weiter Das Vorschubger t f hrt und bewegt den Mikrotaster w hrend der Messung ber die Pr foberfl che Das Perthometer steuert den Messablauf f hrt die gesamte Messwertverarbeitung digital durch und best tigt die erhaltenen Messwerte durch einen Ausdruck Mahr GmbH 2005 Gemessen wurde hierbei der Mittenrauwert Ra nach DIN 4768 der den arithmetischen Mittelwert aller Betr ge des Rauheitsprofils R innerhalb der Ges
329. steigt die Ozonproduktion wieder an Die geringe Leitf higkeitserh hung im Kreislauf am Versuchsende ist darauf zur ckzuf hren dass der verkalkte Stack vor der Entkalkung weitere 3 Tage unbetrieben im Kreislauf verblieb So konnte sich ein Teil des Kalkbelags wieder aufl sen Nach dem Entkalken ist die Ozonproduktion geringf gig h her als mit dem verkalkten Elektrodenstack Der Einfluss der h heren Leitf higkeit nach der Entkalkung best tigt diese Annahme nochmals Mit den bei Anwendern verkalkten Elektrodenstacks werden auf Basis des Vorversuchs mit Salzs ure zur Entkalkung Versuche zur Beseitigung der Kalkablagerungen mit verschiedenen S uren durchgef hrt Dazu werden die Stacks demontiert und jeweils eine Probe einer Einzelelektrode und einer Nafion Membran ber Nacht bei Raumtemperatur in 1molare Salzs ure 0 3 und 1 Zitronens ure sowie 1 Essigs ure getaucht Die so entkalkten Proben werden im REM untersucht und mit verkalkten sowie neuen kalkfreien Elektroden und Membran Proben verglichen SE 106 12 Fee pap A Abbildung 49 und 50 REM Aufnahmen einer neuen links und einer verkalkten rechts BDD Elektrode Mangold et al 2011 Die Abbildungen oben und unten zeigen neue kalkfreie Elektroden und Membranoberfl chen im Vergleich zu verkalkten Oberfl chen Acc V SpotMagn Det WD Exp kl 50 20 0KV 4 0 500x SE 99 7 F516_033 Abbildung 51 und 52 REM Aufnahme einer neuen links u
330. stellt weswegen ein Vergleich der Ozoneinbringungsraten eher schwierig ist Die Unterschiede der Modellfunktionen belaufen sich im Mittel auf 7 8 wobei eine Schwankungsbreite von 0 3 9 5 besteht 4 4 3 Mikrobiologische Untersuchungen Komponenten und Versuche im Laborma stab Konstruktion Metallpl ttchenaufnahme f r die berstr mungsversuche Die im Folgenden konstruierte Metallpl ttchenaufnahme dient zur Nachahmung einer Tankdesinfektion wobei kleine Metallpl ttchen mit Keimsuspension beimpft werden und in der Aufnahme liegend von ozonbeladenem Wasser bersp lt werden F r die Wirkung von Ozon auf Oberfl chen ist entscheidend ob die Reaktionen massentransports oder diffusionsabh ngig sind Da die Diffusion von Gasen in Fl ssigkeiten im Allgemeinen als sehr langsam einzustufen ist Diffusionsgeschwindigkeiten von wenigen 145 Ergebnisse mm pro h s 2 4 1 Burton 2002 sollte die Str mungsgeschwindigkeit in einem Bereich liegen der Turbulenzen und damit den Massentransport beg nstigt Am Beispiel eines Tanks mit einem Durchmesser von 5 4 m der durch einen _diskontinuierlichen Desinfektionsmittelstrom von 16 mit einer D nnschicht von ca 1 0 mm Benetzungsfaktor liegt je nach Rauigkeit zwischen 0 8 und 1 2 I m als Berechnungsgrundlage f r die Flie geschwindigkeit dient ein Standard Brauereitank benetzt wird ergeben sich f r den Bau der in Abbildung 106 dargestellten Aufnahme
331. stig die Spannung an den Elektroden an Die Kalkablagerungen auf den Elektroden lie en sich zwar gut mit S uren l sen aus den schwer zug nglichen Bereichen zwischen den BDD Elektroden und der Nafion Membran k nnen die Kalkagglomerate jedoch nicht mehr vollst ndig herausgel st werden Erst ein Austausch der Nafion Membranen f hrt zu einer deutlichen Steigerung der Ozonleistung Mangold et al 2011 Daraus konnte gefolgert werden dass die BDD Elektroden durch die Verkalkung nicht irreversibel gesch digt wurden sondern dass die Verblockung der Membran die Ursache f r die nachlassende Ozonleistung der Module war Aus diesem Grund bietet sich an das zur Desinfektion verwendete Wasser entweder aus der Brauwasserversorgung zu entnehmen die bei der Bereitung von hellen Bieren eine Gesamth rte von lt 5 dH aufweisen sollte und damit als g nstig f r den Elektrodenstackbetrieb empfunden wird oder eine Enth rtung vorzuschalten die vor allem Carbonath rte senkt Methodensammlung der Mitteleurop ischen Brautechnischen Analysenkommission MEBAK 1997 Ein weiterer Punkt zur Stabilisierung der Elektrodenperformance ist die Vergr erung der Anodenfl che um so die Stromdichte unter Verwendung der applikationsorientierten Stromst rke zu senken Die Versuche ergeben dass eine Stromdichte von ca 60 90 mA cm dazu f hrt dass die Klemmspannung konstant bleibt So ergibt sich die zu den Gleichungen 108 und 109 erg nzende Gleichung 1
332. stigste F llung ist hier das Wasser mit Natriumbisulfit zu sehen Eine derartige F llung sollte im vorliegenden Fall weniger als einen Euro ausmachen Demgegen ber stellt das Duroplast teuerste Alternative Eine F llung mit z B einem Polyestergie harz schl ge mit ca 80 zu Buche Schwindung Unter Schwindung versteht man bei Kunstoffen die Verkleinerung des Volumens durch beispielsweise h here Packungsdichte der Makromolek le infolge Kristallisation oder Vernetzung in der Praxis ist meistens auch von Schrumpfung die Rede Bei der Schwindung verkleinert sich also das Volumen eines Bauteils die Ma haltigkeit ver ndert sich ebenfalls die Gestalt bleibt erhalten Amorphe Materialien z B PS PC PVC und PPO liegen im Schwindungsniveau bei 0 3 0 9 Wesentlich gr er ist die Bandbreite der Schwindungswerte bei teilkristallinen Kunststoffen 0 4 3 z B PP PA Bei Duroplasten wie z B Epoxid Gie harzen ist die Schwindung wiederum weniger ausgepr gt weshalb diese eine bessere Eignung als F llmaterial aufweisen Paraffin hat von allen zu berpr fenden Materialien die ausgepr gteste Schwindung Beton schwindet beim Trocknen um ca 0 5 was aber durch den Zusatz von Gips kompensiert werden kann Bei der Trocknung von reinem Gips findet sogar eine negative Schwindung von ca 1 statt Durch die Kombination von Beton und Gips kann eine Schwindung deswegen ann hernd ausgeschlossen werden Wartungsf
333. stische Prozesskontrolle SPC erfolgt laufend um eventuelle Ausrei er in Bezug auf die Oberfl chenrauigkeit sofort detektieren zu k nnen 54 Material und Methoden Reinigung Mithilfe eines handels blichen Hochdruckreinigers wird die erste tats chliche Reinigungsstufe durchgef hrt um grobe Verunreinigungen zu beseitigen Aufgrund mikroskopischer Verunreinigungen werden die Werkst cke in einem zweiten Schritt mittels Ultraschall behandelt Bei dieser Ultraschallreinigung k nnen alkalische und zum Teil auch saure Reinigungsmittel zum Einsatz kommen um eventuell anhaftende organische Bestandteile abzul sen ohne organische R ckst nde kann dieser Reinigungsschritt entfallen Werden Reinigungsmittel genutzt wird in einem separaten Ultraschallbad die Reinheit des Werkst ckes sichergestellt hierin befindet sich ausschlie lich vollentsalztes Wasser Jeglicher R ckstand kann bei der sp teren Beschichtung Einfl sse auf das Interface haben und somit die Stabilit t des Systems Diamant Niobcarbid Niob negativ beeinflussen Chemische Aufrauung bersch ssiges Material z B durch das Sandstrahlen im Substrat eingelagertes Siliciumcarbid wird je nach Anforderung in einem Minerals urebad wegge tzt Die durch die vorhergehenden Aufbereitungsschritte gelockerten Material bersch sse werden ebenfalls durch die Behandlung mit der Minerals ure entfernt Erst nach dieser chemischen Behandlung k nnen die Werkst cke der Dia
334. streifen e Die L nge des Versuchslaufs ist auf 100 h angesetzt um innerhalb dieser Zeitspanne Auswirkungen auf die Wirkstoffe feststellen zu k nnen soll die Ozonkonzentration auf ca 1 mg l manifestiert werden e Einstellung der Elektrode gt Angestrebt 1 mg l x 600 I h gt ca 0 6 g h Leistung gt 50 Ausbeute bei Schrobenhausener Leitungswasser neuem Stack und alter Reaktorkonfiguration gt 1 2 g h Nominalleistung x 20 A g h 24 A e Eine Online Ozon Messung best tigt in etwa die 100 ppmh die Exposition die Ziel des Materialversuchs war s Abbildung 129 168 Ergebnisse Ozonkonzentration Materialtest Stromst rke 24 A Volumenstrom 600 l h Temperatur 11 1 15 3 C Leitf higkeit 510 uS cm 2 g E 12 00 00 24 00 00 36 00 00 48 00 00 60 00 00 72 00 00 84 00 00 96 00 00 108 00 00 Zeit h Indigocarmin Methode 4 Orbisphere Abbildung 129 Ozonkonzentration w hrend des Materialtests Die Materialproben werden vor und nachher gewogen nach S uberung und Trocknung im Exsiccator die Oberfl chenrauigkeit bestimmt bei den Dichtungen nicht m glich optisch bewertet und 7 der Ferritgehalt gemessen Ferritgehalt und Oberfl chenrauigkeit werden 10fach die Masse 3fach bestimmt Einzeldiagramme Rauigkeitsmessung Als Beispiele sind im Folgenden die Oberfl chenrauhigkeitsmessungen des Werkstoffs PVDF vor u
335. sung dieser Zus tze e ergr berung e Einsatz m glich Oberfl chenvergr berung muss aber beachtet werden e kein Massenverlust e Leichte Vergr berung der Oberfl che e Optisch keine Ver nderung an der Referenzoberfl che wahrnehmbar e Vermutlich Oxidation von Zus tzen e Ausschleusung dieser Zus tze e ergr berung e Einsatz m glich Oberfl chenvergr berung muss Ausgangsoberfl cheng te in jedem Fall beachtet werden aber aufgrund der PPs e Leichte Massenerh hung e Leichte Vergr berung der Oberfl che 171 Ergebnisse EPDM Leichte Aufhellung der Oberfl che wahrnehmbar Vermutlich Oxidation des Werkstoffs Aufoxidation ohne Mineralisierung f hrt zur Vergr berung Einsatz bedingt m glich begrenzte Einsatzdauer Leichte Massenerh hung Starke Beeinflussung der Oberfl che Vereinheitlichung Matte Oberfl che Vermutlich Oxidation des Werkstoffs Aufoxidation ohne Mineralisierung f hrt zur Vergr berung Einsatz bedingt m glich begrenzte Einsatzdauer Minimale Massenerh hung Leichte Vergleichm igung und Minderung der Rauhigkeit Leicht gelbliche Verf rbung Erh hung des Ferritgehaltes um ber 18 Vermutlich Oxidation der Eisenbestandteile zu Eisenoxiden Rost und Extraktion an die Oberfl che Ausbildung einer gef rbten Eisenoxidschicht Ausbildung einer inkonsequenten Chromoxidschicht Einsatz bedingt m glich Eisenausl sungen m ssen jedoch vor
336. szahl der Str mung eruiert werden um die Widerstandszahl A berechnen zu k nnen Diese muss abh ngig von der hydraulischen Charakteristik ermittelt werden s Gleichung 90 91 und 92 Bendlin et al 2004 2 laminarer Bereich Gleichung 90 e E 2320 lt lt 10000 Gleichung 91 Re A 108 3 71 Re gt 10000 Gleichung 92 Mit d Innendurchmesser einer durchstr mten Rohres k Rohrreibungskoeffizient Oberfl chenrauigkeit Ist die Reynoldszahl bestimmt kann mittels Gleichung 93 die Rohrreibung berechnet werden Wiederum geht die Str mungsgeschwindigkeit an dieser Stelle sogar quadratisch ein Delgado 2004 E An ss A F Gleichung 93 Mit Ap Druckverlust charakteristische L nge 77 Material und Methoden Neben der Rohrreibung k nnen auch durch diverse Einbauten Druckverluste entstehen Die wichtigsten in diesem Zusammenhang sind die D se Gleichung 94 der Diffusor Gleichung 9 die Einschn rung Gleichung 95 und der Carnot Sto Gleichung 96 0 Gleichung 94 Bei der D se ist insofern der Einlauf abgerundet und die D se kurz ist 1 lt d die Wandreibung ausschlaggebend f r den Druckverlust Ansonsten gilt sie als verlustfrei TU Darmstadt 2008 2 e ail 2 ol Gleichung 95 2 Mit No Wirkungsgrad 0 95 bei optimaler Beschaffenheit des Diffusors Im Diffusor entstehen Druckverluste durch Str mungsabl sungen Diese werd
337. t 2 1 V ebenfalls relativ hoch ist vergr ert sich damit der Wirkbereich der Elektrode Dadurch kann der Umbruch vom stromabh ngigen zum massenstromabh ngigen Bereich verschoben werden sodass l nger ein Faraday scher Abbau stattfinden kann Panizza et al 2009 Canizares et al 2005 Unter zus tzlicher Erhitzung der L sung besteht sogar die M glichkeit diese Persulfate zu aktivieren bzw Sulfatradikale entstehen zu lassen die mit einem Redoxpotential von 2 6 V nochmals deutlich reaktiver sind als die Persulfate selbst Johnson et al 2008 Organics ECO 5 0 ta er E Bacteria ET gt viruses HO gt fungii Abbildung 14 Nutzung eines sekund ren Redoxsystems zur CSB Degradation Condias GmbH 2005 2 6 GMP Richtlinien zum Bau von CIP Desinfektionsanlagen Grunds tzlich gibt es bei der Konzeption und beim Bau von Anlagen f r die CIP Reinigung und Desinfektion diverse Anforderungen die als GMP Richtlinien Good Manufacturing Practice Einzug in diesen Sektor gehalten haben Je nach Wahl des CIP Systems verlorene Reinigung oder Stapel CIP mit Wiederverwendung der Agenzien sind unterschiedliche Regelwerke wie z B der EG GMP Leitfaden zu beachten um eine sichere Reinigung und Desinfektion gew hrleisten zu k nnen Die Ausf hrungsanforderungen m ssen aufgrund der direkten Verbindungen mit Lebensmittelproduktionsanlagen mindestens denen der zu
338. t eingesetzt werden Die Elastomere EPDM und PTFE weisen neben einer hervorragenden Kurzzeiteignung auch gute Langzeiteigenschaften auf Dennoch sollten die Dichtungselemente in einen turnusgem en Wechselrhythmus mit aufgenommen werden FFKM Handelsname Viton sollte trotz der besten Materialeigenschaften und aufgrund seines deutlich erh hten Preises nur bei speziellen Beanspruchungen eingesetzt werden NBR und Silikondichtungen sollten bei der Verwendung von Ozon g nzlich vermieden werden 5 5 2 _ Verfahrensbewertung Desinfektionsnebenprodukte Zur Eruierung von potentiellen und f r die Einhaltung der Trinkwasserverordnung relevanten Desinfektionsnebenprodukten in Modellw ssern wurden vom Lehrstuhl f r Chemisch Chemische Analyse und Chemische Lebensmittelanalyse diverse Versuche mit Modellw ssern durchgef hrt Dazu wurden auf Laborebene zwei Wassermatrices synthetisiert die von der Zusammensetzung her einem weichen Trinkwasser mit 5 und einem relativ geringen Gehalt an Organik und einem harten Trinkwasser ca 20 mit einem hohen Anteil an organischen Bestandteilen entsprechen Das zweite Modellwasser dent als worst case Szenario und damit zur Ermittlung einer eventuellen Verwendungsgrenze des Verfahrens Heim 2011 W hrend der Kreislaufozonisierung wurde der Anteil an organischem und anorganischem gel sten Kohlenstoff in beiden Wassermatrices kaum ver ndert Der zeitliche Verlauf der Chlo
339. t prozessverteuernde Alterungseffekte gegen ber Jordanis 1985 Dennoch erscheint die Bildung von Ozon direkt aus der Wassermatrix heraus als sehr effektiv da eine nachtr gliche L sung von Gasen in der Fl ssigphase entf llt Dies war letztlich auch ein Grund f r die Entscheidung bordotierte Diamantelektroden in Kombination mit einer Protonenaustauschmembran zu verwenden um die Ozongasphase umgehen zu k nnen und so ber einen vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgrad zu verf gen 2 4 3 Advanced oxidation process und Hydroxylradikale Die Abk rzung AOP steht f r Advanced Oxidation Process deutsch erweiterter Oxidationsvorgang Der AOP stellt unter anderem eine Kombination der UV Lichtbehandlung oder eines geeigneten Katalysators mit einem geeigneten Oxidationsmittel dar Der Abbau von Schadstoffen erfolgt bei diesem Vorgang teils durch das Oxidationsmittel selbst im Vordergrund jedoch steht die Bildung und entsprechend der Einsatz von Hydroxylradikalen Persons 2005 Durch die Einwirkung von Photonen oder Katalysatoren werden Oxidationsmittel gespalten oder Hydroxidionen radikalisiert wodurch Hydroxylradikale entstehen Diese reagieren darauffolgend in einer radikalischen Reaktion mit oxidierbaren Schadstoffen jeglicher Art die im vollst ndigen Prozess zu einer stabilen anorganischen Verbindung wie Wasser oder Kohlenstoffdioxid abgebaut besser gesagt mineralisiert werden k nnen s Gleichung 16 und 17 Lecher et al
340. te Pumpe die bei jeder Umw lzung passiert werden muss kann ebenfalls Scherkr fte verursachen die eine erh hte Abreaktion des Ozons bedingen 5 1 2 Elektrodenstackdauerbetrieb und Entkalkungsroutinen Die im Ergebnisteil beschriebenen stromdichtenabh ngigen Spannungs und damit Widerstandsverl ufe lassen diverse Interpretationen zu Trotz der relativ geringen Versuchsdauer von 48 Stunden konnte vor allem bei der hohen Stromdichte ein deutlicher Widerstandsanstieg ausgemacht werden der auf die beginnende Verkalkung der Elektroden schlie en l sst Bei der mittleren Stromdichte scheint dieses Ph nomen zwar bereits nach wenigen Stunden Dauerbetrieb einzutreten jedoch stabilisiert sich der Widerstand dann plateauf rmig Bei niedrigen Stromdichten stagnieren die Spannungswerte zumindest innerhalb der Versuchsphase eine leicht fallende Tendenz l sst die Vermutung zu dass die Verkalkung hier nicht oder nur in geringem Ma e eintritt Grunds tzlich ist die Verfahrensweise der Umpolung d h der Polarisationswechsel der Elektrode eine probate Methode die Verkalkung einzud mmen Dieser Mechanismus wird auch f r dimensionsstabile Anoden DSA bei der elektrochemischen Hypochloriterzeugung beschrieben Kraft et al 1999 Augenscheinlich sind die Umpolungen jedoch nur bis zu mittleren Stromdichten in der Lage ann hernd alle Kalkanlagerungen durch die partielle Ans uerung wieder abzul sen Bei hohen Stromdichten wird der Prozess der Verka
341. tes x auch arithmetisches Mittel genannt Gleichung 98 der Varianz 5 Gleichung 99 und der Standardabweichung s Gleichung 100 ist die Stichprobe durch Ma zahlen gekennzeichnet Kreyszig 1998 EEE 5 13 21 En Gleichung 98 1 2 lt mitn gt 1 Gleichung 99 n 1 H Ge 8 s ys mit gt 0 Gleichung 100 Da der Mittelwert der Stichprobe eine gute N herung f r den Mittelwert der Grundgesamtheit u ist muss die Genauigkeit der N herung bestimmt werden was ber das Konfidenzintervall Vertrauensbereich geschieht Diese werden mit Hilfe der Student t Verteilung berechnet Ist der Mittelwert x und die Standardabweichung s einer Stichprobe von n Einzelmessungen bekannt so k nnen Vertrauensbereiche Intervalle um x angegeben werden innerhalb derer mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit z B P 95 der wahre Mittelwert m liegt Mithilfe eines Tabellenwerks lassen sich die Werte f r t f r verschiedene Freiheitsgrade und verschiedene Wahrscheinlichkeiten Konfidenzzahl einsetzen indem man die Anzahl der Freiheitsgrade zu n Stichprobenumfang 1 bestimmt Das Ergebnis kann nun wie folgt angegeben werden Kreyszig 1998 lt lt 52 Gleichung 101 In der nachfolgenden Tabelle ist f r jeden Versuch dieser Arbeit der Vertrauensbereich aufgelistet der aus der ausgew hlten Wahrscheinlichkeit und der gegebenen Anzahl an Einzelmessungen resultiert X Tabelle 19 Verw
342. ttels fluss und salpeters urehaltiger Agenzien stellt das Passivieren der Oberfl che ebenfalls mittels Salpeters ure ein bew hrtes Mittel zur Steigerung der Lebensdauer von Anlagen dar Die entstehende Passivschicht aus haupts chlich Chromoxid ist gegen ber schwachen S uren und Laugen in einer CIP Reinigung inert und l sst somit kaum oberfl chliche Oxidationen oder Migrationen zu Polygrat AG 2007 In Konstruktion und Bau wurden etliche Einzelteile verbessert bzw erg nzt deren Eigenschaften die Beschaffenheit der Anlage aufwerten So sorgt ein Schwimmerentl fter an der h chsten Position der Anlage f r die Entgasung des Systems in Bezug auf Wasserstoff bersch ssigen Sauerstoff und oder Ozon Drainageventile dienen zur vollst ndigen Entleerung der Anlage bzw Einstellung eines Sumpff llstandes auch w hrend der laufenden Desinfektion Die Sterilisierbarkeit der Probenahmeventile Ausf hrung komplett aus Edelstahl sorgt f r einen fehlerfreien mikrobiologischen Probezug Verbindungsschl uche aus PTFE erm glichen aufgrund der Inertheit gegen ber Chemikalien s 4 4 5 auch vollst ndig gegen ber Ozon eine Minimierung der Fehlerquellen in der Kreislaufbehandlung Der Trockenlaufschutz im Bereich der Pumpe dient zum Schutz der Gleitringdichtung und kann bei Ausbleiben eines Volumenstroms die feuchtigkeitsben tigenden Bauteile durch Unterbrechung der Stromversorgung sch tzen Final sorgen l sbare Elektroverbindungen sog
343. tungswasser 510 yuS cm nur gut 0 3 g h Maximalleistung erreicht w hrend in vollentsalztem Wasser knapp 0 4 g h Ozon produziert werden bei dieser Elektrolysezelle Eine andere Auftragung s Abbildung 40 best tigt die These dass es eine eindeutige sogar lineare Proportionalit t zwischen Leitf higkeit und maximaler Ozongenerierungseffizienz gibt Es werden nur die Ozonleistungen bei 20 A verwendet 91 Ergebnisse Leitf higkeitsabh ngigkeit der Ozongenerierung Stromst rke 20 A Temperatur 19 2 C Volumenstrom 2 m h Druck 0 2 bar y 0 0001 0 3823 R 0 9969 E 3 2 2 2 N 300 Leitf higkeit uS Leitf higkeitsabh ngigkeit Abbildung 40 Leitf higkeitsabh ngigkeit der Ozongenerierung 4 1 4 Druckabh ngigkeit der Ozonerzeugung Gem dem Henry schen Gesetz best nde die M glichkeit die Ozongenerierungsleistung durch die Erh hung des Systemdrucks aufgrund der dazu direkt proportional steigenden Ozonl slichkeit zu verbessern Gerade in Anbetracht der Verwendung einer Reinigungsarmatur die w hrend einer Tankdesinfektion einen h heren Systemdruck verursacht erscheint dieser potentielle Optimierungsfaktor als g nstig In Ermangelung eines Drucksensors an der Laboranlage werden die Versuche zur Ermittlung der Druckabh ngigkeit mit dem Oberfl chendesinfektionsdemonstrator durchgef hrt Hierf r wird jedoch nur ein Strang mit einem ma
344. tz sterilisierbare Probenahmeventile und die ozonstabile Systemverschlauchung stellen zum einen Schutzvorkehrungen dar zum anderen gew hrleisten sie aber auch die reibungslose Validierung der Anlage ohne vermeidbare Querbeeinflussungen Durch die Auswahl der Hauptnennweite DN 50 und der Nennweite DN 25 f r die Einzelstr nge wird die Demonstrationsanlage jeglicher Forderung nach hydraulischer Korrektheit gerecht Der Anlagenmaximalvolumenstrom wird zwar durch die Aufteilung auf drei Str nge mit besagter Nennweite zwar auf 15 9 m h gesenkt er muss aber auch aufgrund der Charakteristik der Reinigungs und Desinfektionsarmaturen nicht h her als dieses Maximum liegen Die Bohrungen der Carnot Armaturen 30 mm f r die Hauptnennweite DN 50 und 17 mm f r Nennweite DN 25 sind bis auf die leistungsproportionale Volumenstromauslegung des 4 g h Reaktors im Optimalbereich der Laborversuche 25 mbar lt Ap lt 50 mbar Die Geschwindigkeit von 0 41 m s in der berschuss Gasleitung befindet sich absolut im Normbereich f r die F rderung von Gasen in Rohrleitungen es k nnen keine Kondensationen hervorgerufen durch Rohrreibungsverluste und daraus resultierende Druckdifferenzen auftreten Aus der Feinkonzeption und den in den Ergebnissen beschriebenen Armaturen und Verfahrensweisen entsteht das Gesamtkonzept der bereits in 3 6 3 beschriebenen Anlage samt der vollkommen an das Anforderungsprofil einer Oberfl chendesinfektion mittels elektrolytis
345. tzungen Ablagerungen Produktreste Mikroorganismen und andere Fremdk rper die auch unter dem Begriff Schmutz zusammengefasst werden S dzucker AG 1998 Es besteht die M glichkeit auch trocken zu reinigen jedoch ist das Verfahren der Wahl im Lebensmittel und vor allem im Getr nkebereich die Nassreinigung unter Verwendung von Wasser und Additiven wie 7 Laugen S uren oder Tensiden die den Reinigungserfolg verst rken k nnen Dabei soll die Reduktion pathogener Mikroorganismen auf ein f r den Gebrauch sicheres Niveau safe to handle stattfinden und dies ohne spezielle Sicherheitsvorkehrungen Bei der Reinigung sollte mindestens eine Reduzierung der oberfl chlichen Mikroorganismen um eine Zehnerpotenz erfolgen Sch tzungsweise werden jedoch 3 bis 5 Zehnerpotenzen erreicht Laffer 2010 Vorrangiges Ziel ist es jedoch nicht durch das Aussp len von Mikroorganismen eine Kontaminationsminderung bzw verdr ngung zu erzielen sondern es wird haupts chlich daran gesetzt vorhandenen oder brigbleibenden Keimen den N hrboden zu entziehen Bibek et al 2008 und Desinfektionsmitteln den Zugang zu verkeimten Stellen zu erm glichen Mrozek 1996 Eine erfolgreiche Reinigung ist somit die Grundlage und voraussetzung f r die im Lebensmittelsektor berwiegend folgende Desinfektion oder Sterilisation Dieser Erfolg wird nun unter anderem von der Schmutzmenge seiner Art z B anorganisch Kalk und seinem situativen Zusta
346. uereien gew hrleistet die absolute Vergleichbarkeit der Leistungstests und damit der Elektrodenperformance 95 Ergebnisse Elektrodenstackperformance ber die Betriebsdauer Volumenstrom 1 m h Temperatur 12 C Leitf higkeit 130 uS cm Anlage 130 uS cm Stack neu 7 076 0 1325 R 0 9819 8 a ka E ep E 2 2 S gt Anlage A 130 12 Monate Laufzeit y 3 2544x 0 0035 R 0 9477 0 08 Stromdichte A cm Anlage neu Anlage 12 Monate Abbildung 44 Elektrodenstackperformance bei 1 m h Anlage A Die Ozonleistung des Stacks in Anlage A verringert sich innerhalb der 12monatigen durchgehenden Betriebsphase um etwa 50 vor allem im Bereich h herer Stromdichten W hrend anfangs noch ca 0 8 g h Ozon produziert werden Reaktor nicht str mungsoptimiert k nnen nach einem Jahr Betrieb nur noch maximal 0 4 g h erreicht werden Auffallend ist die kaum sinkende Ozonleistung im niedrigen Stromdichtenbereich Die Leitf higkeit des Wassers liegt bei dieser Anwendung bei 130 also verh ltnism ig niedrig f r eine Trinkwasseranwendung Der Stack in Anlage B die mit Trinkwasser der Leitf higkeit 260 uS cm gespeist wird verliert bereits innerhalb von 3 Monaten knapp 60 seiner Ozonleistung wiederum eher im Bereich der h heren Stromdichten Direkt nach Einbau ist der Wert bei ca 1 8 g h angesied
347. uf eingegangen Zudem wird in der Risikobewertung klar dass gerade das gasf rmige Ozon die gr ere Gefahrenquelle darstellt Bei der berpr fung des Ozonauf und abbaus bei berdruck wird ersichtlich dass die L slichkeit von Ozon in Wasser stark vom Druck abh ngt Bei in etwa gleichbleibender Ozonkonzentration bleibt das Verh ltnis zwischen L slichkeit bei berdruck Lo 3 und L slichkeit bei Normaldruck Lam nahezu konstant und kann nach folgender Gleichung berechnet werden Ja bari ba 0 9746 di 1 32 Dun C atm mg 0 7395 di Gleichung 107 F r die Berechnung von Co ug Und Cam Wird der gemittelte Ozonkonzentrationswert f r atm den jeweiligen Abschnitt verwendet Das Resultat entspricht in etwa der Theorie von Henry da das Verh ltnis von 0 3 bar berdruck und atmosph rischem Druck ca den Faktor 1 3 ergibt H ll 2002 Dieses Gesamtergebnis widerspricht damit erst einmal den Grundlagenversuchen in denen die Druckabh ngigkeit der Ozongenerierung ann hernd nicht existent war Nur durch das Umpumpen der Fl ssigkeit und die Wirkung einer 188 Diskussion der Ergebnisse ozonbeladenen Gasphase auf die relativ gro e spezifische Wasseroberfl che wird eine Art Nachl sung des Gases bewirkt die zu einer Erh hung der Ozonkonzentration direkt proportional zur Druckerh hung f hrt Mit kleiner werdender Ozonkonzentration gestaltet sich der Vergleich der Versuchserge
348. um die Spr hkugel als die bessere Alternative hervor s 5 4 3 189 Diskussion der Ergebnisse Aufgrund aller oben aufgef hrter Tatsachen ist die Spr hkugel bei der Desinfektion von G r und Lagertanks dem Schwallreiniger eindeutig vorzuziehen 5 4 3 Mikrobiologische Untersuchungen Konstruktion der Laborarmaturen zur Imitation der Oberfl chendesinfektion Sowohl die Aufnahme der Schlitten als auch die Metallpl ttchen selbst entsprechen einer realit tsnahen Desinfektionsvalidierung Der Einlegeschlitten f r die Armatur die ber einfache Tri Clamp Verbindungen im R cklauf der Laboranlage installiert werden kann wird mit einer Str mungsgeschwindigkeit von knapp 0 7 m s berstr mt was der mittleren Geschwindigkeit der Desinfektionsmitteld nnschicht in einem realen G rtank entspricht Die Oberfl chenrauigkeit der Metallpl ttchen zur Beimpfung mit Keimsuspension liegt ebenso innerhalb der Toleranzgrenzen Bei der Konstruktion und beim Bau des Miniaturtanks werden s mtliche Vorgaben den M glichkeiten nach ber cksichtigt Die um ca Faktor zwei vergr erte durchstr mte Fl che an der Tankinnenwand und die entsprechend sinkende Desinfektionsmittelgeschwindigkeit werden zugunsten der allgemeinen Haptik und der h heren Fl che zum Aufbringen der Keimsuspension toleriert Eine Verkleinerung des Tanks w rde ebenso Probleme mit der Verfahrenstechnik Spr hkugel Leitungsanschl sse Volumina etc und den zwangsl ufig
349. undeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums f r Bildung und Forschung unter dem F rderkennzeichen 03X 0087 gef rdert Die Verantwortung f r den Inhalt dieser Ver ffentlichung liegt beim Autor Literaturverzeichnis IV Literaturverzeichnis Abberger K 2005 Desinfektion von Trinkwassersystemen Moderne Geb udetechnik 2005 12 S 29 31 Aqua Fontana 2009 UV Desinfektion Online 2009 Zitat vom 28 August 2009 http www aquafontana de frames zubehoer uv2 htm Vorteile Aqua Ville GmbH 2010 Online aqua ville GmbH 2010 Zitat vom 25 Mai 2010 http www aqua ville com ueberuns 02b945997f0e7d306 index html Ardon 1965 Oxygen New York W A Benjamin Inc 1965 14 15 Ayala R P 2009 Photokatalytische Behandlung von biologisch schwer abbaubaren Wasserverunreinigungen mit Titandioxid und simuliertem Sonnenlicht Dissertation 2009 S 16 23 Bader und Hoign J 1981 Determination of ozone in Water by the Indigo Method Water Research 1981 S 449 456 Bast E 2001 Mikrobiologische Methoden 2 Heidelberg Spektrum Verlag 2001 S 7 Becker M 2007 K hlturmsanitisierung mittels ESAZON Hrsg TU M nchen Competence Pool Weihenstephan Diplomarbeit Freising Weihenstephan s n 2007 S 8 12 Becker M und Fottner G 2008 K hlturmsanitisierung mittels elektrolytisch generiertem Ozon Schrobenhausen s n 2008 DBU Abschlussbericht
350. undet 14 1 A und f r den 4g h Stack 9 5 A Dieses berechnete Offset l sst sich nicht direkt in die Praxis bertragen da die Ozonerzeugung bewiesenerma en nicht scharf abgegrenzt werden kann Mangold et al 2011 Es wird bereits bei sehr geringen Stromst rken bzw dichten Ozon erzeugt allerdings steigt die Ozonerzeugungsrate bei geringeren Stromst rken nicht linear und nicht so stark an wie z B im dreistelligen Stromdichtenbereich Diese berlegung wird in Abbildung 138 mit der gestrichelten Kurve angedeutet Die Versuche zeigen jedoch durchgehend dass man sp testens ab 80 A mit einer linearen Steigung rechnen kann Das Ph nomen des Konzentrationsplateaus in der Ozonabbau Phase I kann damit erkl rt werden dass durch die Feinverteilung des Wassers mittels der Spr hkugel was einer Vergr erung der spezifischen Oberfl che entspricht in der Ozonabbauphase gasf rmiges Ozon im Tank absorbiert werden kann Dieses Ozongas wird im Ozonaufbau wiederum durch die Verteilung des h her mit Ozon beladenen Wassers durch die Einwirkung von Scherkr ften 186 Diskussion der Ergebnisse ausgetrieben Die Absorption steht im Gleichgewicht mit der gleichzeitig stattfindenden Degradierung des Ozons zu Sauerstoff so dass die Ozonkonzentration im Wasser kaum abnimmt Der leichte Abfall der 320 A Kurve liegt vermutlich daran dass sich das Gleichgewicht bei relativ hohen Ozonkonzentrationen in Richtung Degradierung verschiebt und somit i
351. ungen nicht realisiert sollte aber aus Optimierungsgr nden ebenfalls noch kategorisiert werden Die Auslegung der Rohrleitung in DN25 f hrt zum identischen Anlagenmaximalvolumenstrom wie bereits bei der Gleichberechtigung also 15 9 m h D senauslegung Der Druckverlust innerhalb der Anlage soll gem GMP Richtlinien auf ein technisch tragbares Minimum gesenkt werden da Energieverluste immer gleichbedeutend mit erh hten Unterhaltskosten der CIP Anlage sind Bender 2007 Abgesehen vom Druckverlust der in den Reaktoren durch die Turbulenzen an den Elektrodenstacks entsteht und auf den zugunsten der Ozongenerierungseffizienz kein Einfluss genommen wird und dem Rohrreibungsverlust der ber obige Tabellen 1 4 auf ein Minimum begrenzt wird entsteht innerhalb der Anlage nur noch ein Druckverlust ber die in der Abstr mung der Reaktoren verbauten Carnot Armaturen Da die Einzelstr nge nach der Volumenstrommessung wiederum zu einem Strang zusammengefasst werden sind in der Testanlage insgesamt vier Armaturen zur nachtr glichen Ozonl sung verbaut drei jeweils direkt im Anschluss an die Reaktoren in DN 25 die vierte befindet sich zur Sicherheit nach der Zusammenf hrung in der Sammelleitung 128 Ergebnisse Beide Armaturen m ssen an die Ma gabe von 25 50 mbar Druckverlust s 4 2 1 angepasst sein wobei aus Fertigungsgr nden jeweils eine ganzzahlige konzentrische Bohrung der Armatur angestrebt wird Tabelle 29 D
352. unkte 2 Bewertungspunkte 3 Bewertungspunkte 4 Bewertungspunkte 5 Bewertungspunkte 6 Bewertungspunkte 7 Bewertungspunkte 8 Bewertungspunkte 9 Bewertungspunkte 10 Bewertungspunkte Abbildung 134 135 136 und 137 Erl uterungen zur Bewertungsmatrix grober Versto gegen Kriterium Kriterium mangelhaft erf llt Tendenz grober Versto Kriterium mangelhaft erf llt Tendenz ausreichend Kriterium ausreichend erf llt Tendenz mangelhaft Kriterium ausreichend erf llt Tendenz befriedigend Kriterium befriedigend erf llt Tendenz ausreichend Kriterium befriedigend erf llt Tendenz gut Kriterium gut erf llt Tendenz befriedigend Kriterium gut erf llt Tendenz sehr gut Kriterium sehr gut erf llt jedoch nicht ma stabsetzend Kriterium in vollem Umfang sehr gut erf llt Ma stab 181 Diskussion der Ergebnisse Erl uterungen zur Bepunktung Alle im Folgenden aufgef hrten Informationen stammen aus Roempp Online Datenbank 2011 Alterung Best ndigkeit Die Alterung ist bei keinem Material bis auf Pflanzen l ein problematischer Faktor Pflanzen l kann mit der Zeit ranzig werden d h einer Lipidoxidation unterliegen und muss ggf deswegen ausgetauscht werden Bei allen anderen F llungen werden keine oder nur unkritische Alterungserscheinungen erwartet Das Geh use ist luftdicht und lichtundurchl ssig es werden moderate Betriebstemperaturen ca 2 30 C vorausgesetzt Preis Die Referenz als g n
353. unterschiedlichen Stromdichten In Abbildung 43 sind tendenzielle Entwicklungen beobachtbar So stagniert die Spannung also auch der Widerstand bei Verwendung einer Stromdichte von 60 mA cm nach kurzzeitigem Anstieg um ca 1 Volt auf gut 11 V Beim Anlegen von 30 mA cm ist keinerlei Anstieg der Spannung bemerkbar man kann sogar einen leichten Potentialabfall feststellen w hrend bei 120 mA cm vor allem gegen Ende des Versuchs ab ca 30 Stunden Laufzeit ein deutlicher Spannungsanstieg messbar ist Die Spannung zu Beginn bildet ebenfalls eine klare Stromdichtenabh ngigkeit ab bei der niedrigen Stromdichte ca 9 3 V liegt sie klar unter der der mittleren ca 9 6 V und der hohen Stromdichte 10 1 V Ozonleistungsentwicklung ber l ngere Betriebsphasen In Verbindung mit der im letzten Punkt festgestellten Verkalkung kann bei Praxisanlagen f r die Wasseraufbereitung die bereits mit BDD Elektroden ausgestattet sind auch ein Leistungsverlust ber die Betriebsdauer festgestellt werden Wiederum wird nur exemplarisch auf diesen Sachverhalt eingegangen Bei den Praxisanlagen handelt es sich beide Male um 4 g h Elektroden die f r die Brauchwasserversorgung von Brauereien eingesetzt werden Standardm ig wird jeweils ein Leistungstest durchgef hrt einmal direkt nach dem Einbau des Stacks einmal nach der jeweiligen Betriebsphase Die Kontrolle bei identischen Volumenstr men Temperaturen und Wasserleitf higkeiten Analysen der Bra
354. usreichen um Micrococcus luteus innerhalb von einer Stunde vollst ndig abzut ten Die Abbildung soll nochmals verdeutlichen welche erheblichen Unterschiede in der Wirkung z T allein durch den eingesetzten Validierungsorganismus entstehen k nnen Abt tungszeiten und notwendige Ozonkonzentrationen nach Wallh user aPenicillium claviforme Staphylococcus aureus DMicrococcus luteus o Bacillus subtilis m Serratia marcescens mPseudomonas Zeit bis zur vollst ndigen Abt tung min Ozonkonzentration ppb Abbildung 6 Abt tungszeiten und notwendige Ozonkonzentrationen nach Wallh u er 1995 27 Theoretische Grundlagen Tabelle 11 Wertetabelle zu Abbildung 6 Wallh u er 1995 Mikrobiozide Wirkung von Ozon im Wasser nach Wallh u er Abt tungszeiten in Minuten Ausgangskeimzahl von 1000 ml 25 C im Dunkeln Wallh u er 1995 Ozonkon Staphylo Micro Penicillium Bacillus Serratia Pseudomonas zentration coccus coccus claviforme subtilis marcescens aeruginosae ppb aureus luteus 25 50 60 60 120 180 180 180 ca 100 40 40 90 120 120 120 ca 200 20 20 40 50 60 90 1000 2000 10 10 10 20 15 20 4800 5000 1 1 1 1 1 1 In Tabelle 12 sind nochmals Ozonexpositionen f r die Eliminierung von 99 ausgew hlter Keime dargestellt teils Validierungskeime teils humanpathogen Diese Untersuchungen fan
355. ussion aufgef hrt Ozonauf und abbau bei berdruck im Behandlungstank Innerhalb dieser Testreihe betr gt die Stromvorgabe konstant 320 A als neuer Parameter wird der Tankdruck variiert Dazu wird die Tankbel ftung abmontiert sodass der Versuchstank w hrend der kompletten Versuchsreihe nach au en hin verschlossen werden kann Der restliche Versuchsaufbau und die durchf hrung bleiben identisch um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse bei definiertem berdruck und derer bei Normaldruck zu gew hrleisten Der Startvorlaufdruck der allein durch die vorherige Bef llung des Tanks mit dem Sumpfvolumen zustande kommt betr gt beim Anlaufen der Umw lzpumpe 1 7 bar und steigt innerhalb k rzester Zeit Elektrodenstackbetrieb auf 1 8 bar an Er ver ndert sich bis zum Versuchsende nicht mehr weswegen f r den Versuch und die nachfolgenden Berechnungen ein Vorlaufdruck von 1 8 bar festgelegt wird Verglichen mit dem Druckverlust bzw Vorlaufdruck von 1 5 bar der allein aus der Verwendung der Spr hkugel resultiert ist mit einem berdruck von 0 3 bar im Tank zu rechnen Ozonauf und abbau 320A Vergleich Normaldruck berdruck Stromvorgabe 320 A Temperatur 19 21 Volumenstrom 12 m h Sumpfvolumen 0 5 m3 Gesamtvorlaufdruck 1 5 1 7 1 8 bar Spr hkugel U U l d t t D U Ozonabbau Elektroden aus Ozonabbau Elektroden aus Umw lzung aus Umw lzung an Ozonaufbau
356. verschiedenen Stapelbeh ltern wie f r Frischwasser f r Stapelwasser f r saure L sung f r Laugen und f r Desinfektionsl sung einer Umw lzpumpe und einer Aufheizstation Zudem sorgen Messger te wie pH F hler Leitf higkeitssensoren Durchflussmesser und Temperaturf hler f r eine exakte Dosage und einen einwandfreien Ablauf Kunze 1998 Weitere und vor allem detailliertere GMP Richtlinien f r den Aufbau von CIP Anlagen sind in 2 6 erl utert F r gew hnlich wird nach folgendem Muster gereinigt und desinfiziert die Aufgaben der Einzelschritte sind immer hnlich zu den in Tabelle 3 aufgef hrten Tabelle 3 Verfahrensschritte und deren Aufgaben bei der CIP Reinigung G nsel et al 1998 Verfahrensschritt Aufgabe Ausblasen von G rungskohlendioxid mittels Ausblasen mit Sterilluft Sterilluft Schonung der Stapellauge durch Acidit tsverminderung Austrag Produktresten und leicht wasser Vorsp len mit Stapel Wasser l slichen Verschmutzungen Anl sen Abreinigung von organischen Verschmutzungen mit alkalischen Medien und evtl Additiven um Schmutzteilchen in Schwebe zu halten Alkalische Reinigung Zwischensp lung en mit Wasser Austrag der Reinigungsl sung Anl sen Abreinigung von anorganischen Saure Reinigung Verschmutzungen Kalk und Laugestein und Passivierung mittels meist anorganischer S uren Austrag der Reinigungsl sung und Wiederherstellung von Braubedingungen pH und Leitf
357. vierung 5 Stuttgart Georg Thieme Verlag 1995 S 388 f Wallh u er K H 1995 Praxis der Sterilisation Desinfektion Konservierung 5 Stuttgart Georg Thieme Verlag 1995 S 263 Wallh u er K H 1995 Praxis der Sterilisation Desinfektion Konservierung 5 Stuttgart Georg Thieme Verlag 1995 S 316 f Wallh u er H 1995 Praxis der Sterilisation Desinfektion Konservierung 5 Stuttgart Georg Thieme Verlag 1995 S 527 Wang X F et al 2012 Controllable oxidization of boron doped nanodiamond covered with differend solution via UV ozone treatment Diamond and Related Materials April 2012 24 S 146 152 Wedeco AG 2009 Wirtschaftliche Desinfektion mit UV Licht Brosch re 2009 S 2 Wildbrett G 1996 Reinigung und Desinfektion in der Lebensmittelindustrie 1 Hamburg Behr s Verlag 1996 S 1 4 Wildbrett G 1996 Reinigung und Desinfektion in der Lebensmittelindustrie 1 Hamburg Behr s Verlag 1996 S 14 Winkelmann B 2005 Trimeta NOD ein nicht oxidierendes Desinfektionsmittel Brauwelt 2005 21 S 636 Wolf W 2009 CIP Design von Tiefziehverpackungsanlagen s l MULTIVAC Sepp Hagenm ller GmbH amp Co KG 2009 WWT GmbH 2006 Seminar Wassseraufbereitung Wasserversorgung 2006 Yahya Landeen 1 und Gerba 1990 Inactivation of Legionella pneumophila by Potassium Permanganate Environmental Technology 1990 11 S 657 662 Zehet
358. vor dass die Spr hkugel sowohl bei den Betriebskosten als auch beim Desinfektionserfolg Vorteile gegen ber dem Schwallreiniger hat Der Einsatz von Zielstrahlreinigern als Optimum im Reinigungsbereich wurde f r die Anwendung von Ozon f r erste Versuche ausgeklammert da die extreme Scherbeanspruchung zwangsl ufig einen Ozonaustrag zur Folge h tte Als vorl ufig optimale Ausstattung von mit Ozon zu desinfizierenden Tanks wird eine statische Spr hkugel favorisiert Beim Vergleich der Ozonsensoren konnte festgestellt werden dass zwei der drei Sensoren SWAN und Orbisphere absolut tauglich f r den Einsatz in einer Serienfertigung sind wobei ein deutlicher Preisunterschied zwischen der amperometrischen Luxusvariante mit sehr geringer Ansprechzeit von 1 2 Minuten einer guten Elastizit t und exakten Ozonwerten mit einer Verschiebung von 0 2 mg l und der kolorimetrischen photometrischen Standardvariante mit einer langsameren Reaktion von 4 Minuten die sich ebenso in der Elastizit t widerspiegelt und ebenfalls exakten Ozonwerten ohne Verschiebung besteht Mit den Versuchsergebnissen und weiteren Auswahlkriterien wurde eine Nutzwertanalyse erstellt bei der der kolorimetrische Sensor das beste Ergebnis hervorbrachte und daher als beste Alternative ausgew hlt wurde 201 Fazit Eine Kostensch tzung l sst die Vermutung zu dass die Unterhaltskosten der Ozontechnologie in etwa denen der konventionellen chemischen Desi
359. weist es nur eine geringe mechanische Stabilit t gepaart mit einer hohen Anf lligkeit gegen ber Oxidantien auf Alternativ bieten BDDs eine wesentlich h here Widerstandsf higkeit gegen physikalische und chemische Einfl sse und verf gen in Punkto Elektrolyse auch ber ein immenses berspannungspotential zur Ozonherstellung Duo 2004 Hoigneg et al 1976 Platin j mA cm 2 Diamantfenster 3 5 V 1 0 1 V vs SHE N Abbildung 10 Cyclovoltametrie zur Bestimmung des Potentialbereichs von Diamant und Platin Belke 2010 Wie in Abbildung 10 ersichtlich ist verf gt bordotierter Diamant ber einen Potentialbereich von 1 2 bis 2 3 V gegen ber einer Normalwasserstoffelektrode in dem die eigentliche Wasserelektrolyse und damit die Entstehung von Sauerstoff unterdr ckt wird Verglichen mit blichen Elektrodenmaterialien wie Platin ist dieses sog Fenster deutlich ausgepr gter Rychen 2003 Comninellis 2011 Reiner Diamant als sp Hybridisierung des Kohlenstoffs in BDDs befinden sich 99 999 der vorhandenen Kohlenstoffatome in diesem Zustand Trepte 2011 verf gt jedoch nur ber eine relativ geringe spezifische Leitf higkeit von nur 10 S cm die auf einer Bandl cke zwischen Valenz und Leitungsband von 5 5 eV basiert Durch eine Dotierung mittels Bor als Elektronenakzeptor kann der elektrische Isolator Diamant jedoch zu einem p dotiertem Halbleiter werden Durch die Dotierung wir
360. weltvertr glich biologisch abbaubar preiswert und einfach zu verwenden sein Viele im Lebensmittelsektor eingesetzte Desinfektionsmittel wie z B Chlor und seine Derivate peroxidische Verbindungen oder Ammoniumverbindungen erf llen diese Eigenschaft nicht oder nur zum Teil Sie sind teilweise tzend humantoxisch haben ein karzinogenes Potential sind entflammbar oder sogar explosiv und stellen f r den Anwender und die Umwelt ein Gefahrenpotential dar Oxidierende Inhalts und Wirkstoffe wie Peroxide oder Halogene k nnen bestimmte Metalle angreifen und somit die Langlebigkeit der Produktionsanlagen senken Kulozik et al 2010 Bei der Desinfektionsmittelanwendung darf dieses keinesfalls mit dem Lebensmittel der n chsten Charge in Kontakt kommen weswegen nach jeder Desinfektion ein Aussp len des Desinfektionsmittels oder eine ausreichend lange Wartezeit zum Abklingen der z B oxidativen Wirkung notwendig ist TUM ESAU amp HUEBER GmbH 2010 Der Verbrauch an Desinfektionsmitteln einschlie lich konfektionierter Mittel in der deutschen Lebensmittelindustrie liegt bei einer Gr enordnung von 130 kt a wobei Grundchemikalien wie S uren oder Laugen hierin noch nicht enthalten sind Wildbrett 1996 Aus dieser Zahl wird ersichtlich dass damit auch ein hoher monet rer Aufwand verbunden ist Bei einer mittelst ndischen Brauerei mit beispielsweise 15 000 Hektoliter Jahresproduktion machen allein die Kosten f r die Tankdesinfekti
361. werden innerhalb der 40 Minuten Desinfektionszeit keine 7 log Stufen erreicht s Abbildung 113 Die Maxima sind beim S aureus gut 5 beim S carlsbergensis gut 4 und beim A niger gut 3 log Stufen Die logarithmischen Modellfunktionen erscheinen als trivial und lassen bereits rein optisch eine gute Einordnung der Mikroorganismen nach deren Ozonresistenz zu F r die Tankdesinfektionsversuche im Laborma stab wird der eigens konstruierte Miniaturtank verwendet die Keime werden in sog Laufspuren auf der gesamten Mantelinnenfl che aufgetragen 1 ml ergibt bei jeder Tankbeimpfung 20 Laufspuren 300 mm L nge und 3 mm Breite Gesamtfl che von 180 cm Bei einer Keimzahl von ca 2 x 10 KBE ml resultiert eine Oberfl chenkeimzahl von ca 1 1 10 KBE cm eine durchaus ernstzunehmende Verkeimung die in der Lebensmittelindustrie zwangsl ufig als produktsch digend eingestuft wird Diese werden ebenfalls ber Nacht angetrocknet Die Wiederfindungsrate wird bei diesem Versuch wiederum nur vor der Desinfektion bestimmt In Anlehnung an die Stufenkontrolle bzw mikrobiologische Kontrolle in einer Brauerei werden zu ausgew hlten Zeitpunkten 5 10 20 und 40 Minuten wiederum aufgrund der Normierung auf bliche Desinfektionszeitr ume Rinswasserproben entnommen die anhand der blichen Verd nnungsreihe weiterbehandelt werden Auf die Oberfl chenverkeimung wird in den Laborversuchen mangels berpr fungsm glichkeit und validierter bzw
362. x F 0 20 Mittelwert Ra 10 Obergrenze Ra 11 Pl ttchen Nr Abbildung 108 Oberfl chenrauigkeit der Pl ttchen f r die berstr mungsversuche am Lehrstuhl f r mikrobielle kologie Konstruktion eines Miniaturtanks f r die Oberfl chendesinfektion Ebenfalls am Beispiel des oben bereits erw hnten Brauereitanks ergeben sich f r den Bau eines labortauglichen downscales eines ZKG s zylindrokonischer G rtank folgende berlegungen e Die Str mungsgeschwindigkeit in der Realit t betr gt ca 0 655 m s diese Geschwindigkeit sollte ebenso als Ausgangspunkt f r die Mikrobiologieuntersuchungen am Labortank gew hlt werden e Um bei einem Volumenstrom der Testanlage von 4 l min bleiben zu k nnen sollte wiederum etwa eine zu durchstr mende Fl che von 102 mm angestrebt werden e Material der Tankwandung der St rke 2 mm e Damit wird die Vorgabe der realen Tankdesinfektion bestm glich eingehalten Variation des Durchmessers sorgt wiederum f r Volumen nderungen die an anderer Stelle nicht kompensiert werden k nnen e Beimpfungen k nnen nach Demontage des oberen Flansches durchgef hrt werden e Die Implementierung im Kreislaufsystem wird wiederum ber Tri Clampanschl sse durchgef hrt e Als Pufferbeh ltnis der Tanksumpf reicht aufgrund der Thrombenbildung nicht f r den Kreislaufbetrieb aus diente eine 1l Glasflasche e Aus und Einl sse des Tanks DN10 Hauptnennweite
363. x Ausgangsstrom 10 max Ausgangsspannung 35 V Frischwasser de ESAZON STEUERUNG PNEUMATIK Potentielle Abnahmestelle DI ZN L D KiC LEGENDE S KREISELPUMPE OZONREAKTOR ESAZON Ce DURCHFLUSSMESSUNG Y REGISTRY ALARM T THERMOMETER v ANZEIGE RTLICH PR VERSCHRAUBUNG CLAMPVERBINDUNG A _ UMPOLEINHEIT Abbildung 30 Schema der Versuchsanlage in diesem Fall mit einem angeschlossenen Pufferbeh lter mit 2 Volumen Gei 2009 Im Puffergef das je nach ben tigtem Volumen variabel dimensioniert ist und in dem mittels Thermometer die Prozesstemperatur bestimmt werden kann wird Wasser bzw 80 Material und Methoden Keimsuspension vorgelegt Um isotherme Versuche zu erm glichen und zum Ausschluss von Beeinflussungen eben durch Temperaturschwankungen kann das Puffergef mittels Wasserbad oder Eis gek hlt werden Zur Druckerh hung kommt eine einfache Peripheralradpumpe zum Einsatz die einen maximalen Volumenstrom von 5 l min erzeugt und das vorgelegte Wasser bzw die Keimsuspension ber den Ozonreaktor f rdert Verbunden sind die einzelnen Komponenten ber Polytetrafluorethylen Schl uche PTFE Handelsname Teflon Probenahmem glichkeiten im Vor und R cklauf erlauben eine exakte Kontrolle aller Vorg nge im System Der Volumenstromsensor erm glicht eine Regelstrecke sodass nur der gew nschte Volumenstrom am Touchpanel eingestellt werden muss
364. xere Fluidik in der sich die Probe lange aufh lt bis sie im Fotometer ausgewertet werden kann Der Orbisphere und der Mettler die beide nach dem amperometrischen Prinzip arbeiten k nnen die Probe direkt beim Durchqueren der Durchflusszelle auswerten was zu deutlich kleineren und auch sehr hnlichen Verz gerungszeiten f hrt Um jetzt aber eine komplette und faire Beurteilung vornehmen zu k nnen m ssen neben den Versuchsergebnissen noch andere Auswahlkriterien wie z B der Preis und die Benutzerfreundlichkeit in die Betrachtung miteinbezogen werden Auch der n tige Wartungsaufwand wie es z B beim SWAN der Fall ist dessen Photometer regelm ig zu reinigen und dessen Reagenzfl ssigkeiten nachzuf llen sind soll in die Bewertung eingerechnet werden In einer detaillierten Nutzwertanalyse k nnen all diese Kriterien f r bewertet werden und es kann zus tzlich festgelegt werden mit welcher Gewichtung sie in das Gesamtergebnis miteingehen sollen In Tabelle 42 ist diese Nutzwertanalyse zur Auswahl des am besten geeigneten Online Sensors f r die Ozonanlage dargestellt Die Gewichtung der Kriterien ist nach den Anforderungen an einen Sensor der f r die Ozonkonzentrationsmessung einer CIP Anlage zur Desinfektion von G rtanks eingesetzt wird erfolgt Das Ergebnis zeigt dass der SWAN mit 3 29 Bewertungspunkten ann hernd punktgleich gefolgt vom Orbisphere mit 3 28 Punkten am besten abgeschnitten hat Der Mettler liegt im Verglei
365. xidations Desinfektionsmittel deren Wirkung z T bereits in vorhergehenden Kapiteln beschrieben wurde So k nnen diverse Anionen oxidiert werden s Gleichung 44 47 Rychen 2003 2Cr tie Gleichung 44 250 gt 5 0 2e Gleichung 45 2 PO gt PO 2e Gleichung 46 2 0 gt C 0 2 7 Gleichung 47 Aufgrund der f r gew hnlich geogen und anthropogen bedingten Konzentrationen der obigen Anionen k nnen nur die Oxidationen von Chlorid und Sulfat tats chliche Konkurrenzreaktionen zur Ozonbildung darstellen Im brigen finden basierend auf der in Gleichung 8 dargestellten Chlorbildung alle Reaktionen wie bei einer gew hnlichen Chlorung statt F rster 2002 Des Weiteren kann kathodisch gel ster Sauerstoff bei zweifacher Protonierung zu Wasserstoffperoxid reduziert werden dieser Vorgang ist wie die im Vorhinein beschriebene H202 Bildung nur im unteren Stromdichtenbereich nachweisbar und dementsprechend bei einer Trennung von Anode und Kathode separat detektierbar Rychen 2003 2 H 2e gt H 0 Gleichung 48 Ein weiterer Faktor der die Desinfektionsleistung von BDDs erh hen kann ist die Erzeugung eines pH Gradienten Aus den Gleichungen 37 und 38 geht hervor dass in Anodenn he ein saurer pH Wert resultiert w hrend der Kathodenoberfl che alkalische Milieubedingungen herrschen Da manche Mikroorganismenspezies keine Toleranz gegen ber pH Wert nderungen aufweisen tr gt auch dieser E
366. ximalen Volumenstrom von 4 mh und 80 A Strombeaufschlagung gew hlt Trotz der Charakteristik als Vorversuch wird dennoch bereits auf die 1 Reaktorstudie zur ckgegriffen s 4 2 2 die als vorerst optimale Konfiguration f r die Versuche mit der Demonstrationsanlage eingesetzt wird Nach Einstellung des gew nschten Volumenstroms im Durchlauf 0 5 1 2 4 ergibt sich durch die Variation des Auslaufventils der angestrebte Systemdruck 0 0 1 0 2 0 bara Durch Anlegen einer Stromst rke von 10 40 oder 80 Ampere entspricht 18 73 und 146 mA cm Stromdichte resultieren die in Abbildung 41 gezeigten Betriebszust nde Jeder der insgesamt 12 Betriebszust nde wurde durch eine Dreifachbestimmung der Ozonkonzentration und die entsprechende Umrechnung auf die Stromausbeute berpr ft 92 Ergebnisse Stromausbeute bei unterschiedlichen Systemdr cken Temperatur 8 2 C Leitf higkeit 510 uS cm E 5 2 Ei 5 S E e 5 10A 0 5 m h 10 1 0 m h 2 0 m h 80A 4 0 m h Stromvorgabe Volumenstrom 2 80 0 bar 8 1 0 bar 22 0 bar Abbildung 41 Stromausbeute in Abh ngigkeit vom Systemdruck Bei den oben dargestellten vier Betriebszust nden ergeben sich bei beinahe atmosph rischem Druck der Rohrreibungsverlust bis zum Ausgang des Demonstrators wurde nicht als Gegendruck mit eingerechnet und bei den beiden berdr cken sehr hnliche Wert
367. zur Einstellung der optimalen Druckverh ltnisse im Reaktorraum dient Ein in der Hauptnennweite DN 10 der Anlage gefertigtes Zwischenst ck s Pos 5 fungiert als Beruhigungszone und vergleichm igt die Str mung gem geltender GMP Richtlinien 104 Ergebnisse Verdreht gezeichnet AERZZZ Sr m ER 8 TEE f I H 2 f CH KH d SEES EN 31 r ILL 105 2 LU gt wischensr ckunten LL Hrsg ganie _ 1 Schauglas innen Mitte JL Dorosilicat Sux2 5x60 2 Borosilicat 2220370 1 Schauglasau en Plexiglas 72x72x6 Abbildung 64 Darstellung des f r die Laboruntersuchungen verwendeten optisch zug nglichen Reaktors Ergebnisse Versuche zur Optimierung der Konzentration an gel stem Ozon Alle folgenden Versuche wurden mit der Laboranlage und dem optisch zug nglichen Reaktor mit der Laborelektrode durchgef hrt Es gilt anzumerken dass es sich hierbei um eine Elektrode mit nur 50 cm Fl che handelt die zudem nur ein Elektrodenpaket beherbergt Die Wasserqualit t entspricht Freisinger Stadtwasser alle Versuche werden im einfachen Durchlauf durchgef hrt Str mungsgeschwindigkeit bzw Turbulenz im Reaktorraum Die berpr fung der Elektrodenperformance kann auch bei hydraulischen Untersuchungen einen Aufschluss ber optimale Betriebsbedingungen liefern Die Variat

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