04604 Biofilme in hydraulischen Systemen von Industrie und Wasserversorgung und ihre erfolgreiche Beseitigung
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Biofilme in hydraulischen Systemen stellen eine erhebliche Herausforderung für Fachverantwortliche im Unternehmen dar. Der Artikel beleuchtet die Entstehung, Zusammensetzung und Risiken von Biofilmen in Trinkwasserinstallationen, Rückkühlwerken und raumlufttechnischen Anlagen. Neben hygienischen Gefahren wie Legionellen und Korrosion wird erklärt, warum herkömmliche Reinigungsmethoden oft scheitern. Praxisnahe Ansätze zur Prävention und Entfernung, innovative Technologien und konstruktive Maßnahmen helfen, Betriebssicherheit und Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Für die Instandhaltung ist besonders interessant, wie durch geeignete Maßnahmen Biofilme verhindert und wirksam bekämpft werden können. Auch für die Produktion ist der Artikel relevant, da er auf Probleme wie verminderte Kühlleistung und die Gefahr für Arbeitnehmer durch Legionellen eingeht. Zudem werden Vorschläge zur Auslegung von Anlagen gemacht, um potenzielle Probleme von vornherein zu minimieren. von: |
Schnelleinstieg ins Thema: Drei wichtige Fragen, auf die dieser Beitrag eine Antwort gibt
Frage: Warum sind Biofilme in Trinkwasserinstallationen ein Problem für die Hygiene?
Antwort: Biofilme bieten Mikroorganismen wie Legionellen Schutz und Nährstoffe, wodurch sie sich vermehren und hygienische Probleme verursachen können. Besonders in Warmwasserleitungen, die nie wirklich auf über 85°C erwärmt werden, können Biofilme dauerhaft hygienische Risiken darstellen. | |
Weitere Informationen dazu siehe Abschnitt 1 und Abschnitt 3. |
Frage: Wie können Biofilme effektiv entfernt werden?
Antwort: Eine vollständige Entfernung erfordert die Kombination aus mechanischer Reinigung, Desinfektion und Spülung. Reine Desinfektion ohne Vorreinigung ist oft ineffektiv, da Biofilme Desinfektionsmittel neutralisieren können. | |
Weitere Informationen dazu siehe Abschnitt 10. |
Frage: Welche Maßnahmen helfen, die Bildung von Biofilmen in technischen Systemen zu verhindern?
Antwort: Wichtige Maßnahmen sind die Vermeidung von Totzonen, regelmäßige Reinigung, die Sicherstellung turbulenter Strömungen und der Einsatz geeigneter Desinfektionsmittel. Konstruktive Maßnahmen wie Wartungsklappen erleichtern zudem die Kontrolle und Reinigung. | |
Weitere Informationen dazu siehe Abschnitt 9. |
1 Einführung
Biofilme bestehen aus einer Vielzahl von Mikroorganismen, die auf fast allen Oberflächen – sowohl biotischen als auch abiotischen – in einer selbst produzierten Matrix aus extrazellulären Polymeren (EPS) haften. Die extrazellulären Polymere dienen neben der Oberflächenhaftung insbesondere dem Schutz vor Umwelteinwirkungen. Nach Percival et al. sind Biofilme sich selbst regulierende, komplexe mikrobielle Ökosysteme, deren Struktur und Zusammensetzung je nach Ort ihres Auftretens stark variieren [1].
Kollektive von Mikroorganismen
Biofilme sind schleimige Beläge, die sich in Rohrleitungen, Armaturen und Filtern sowie auf Oberflächen finden. Die Forschung der letzten 25 Jahren hat gezeigt, dass Biofilme organisierte, sehr leistungsfähige Kollektive von Mikroorganismen sind. Besondere Beachtung wird daher Biofilmen geschenkt, die mit der Gesundheit des Menschen in Zusammenhang stehen.
Biofilme sind schleimige Beläge, die sich in Rohrleitungen, Armaturen und Filtern sowie auf Oberflächen finden. Die Forschung der letzten 25 Jahren hat gezeigt, dass Biofilme organisierte, sehr leistungsfähige Kollektive von Mikroorganismen sind. Besondere Beachtung wird daher Biofilmen geschenkt, die mit der Gesundheit des Menschen in Zusammenhang stehen.
Im Bereich Trinkwasser existieren umfangreiche Regelwerke wie das Infektionsschutzgesetz und die Trinkwasserverordnung (TwVO) sowie zahlreiche technische Normen (z. B. DVGW 551), die vermutlich alle Aspekte erfassen, die für die Qualität und die Sicherheit des Trinkwassers relevant sind.
Die Tatsache, dass Legionellen im Bereich der Trinkwasserinstallationen und Klimatisierung trotz jahrzehntelanger Forschung und Anpassungen der Regelwerke immer noch ein Thema sind (s. Abb. 1), lässt vermuten, dass es beim Verständnis des Zusammenhangs zwischen Krankheitserregern, Biofilmen und technischen Installationen in der Breite immer noch Defizite gibt. Diese Feststellung wurde von Flemming in seinem sehr zur Lektüre zu empfehlenden Thesenpapier schon vor 15 Jahren getroffen [2].
In diesem Beitrag wird zunächst auf die Zusammensetzung, Bildung und Eigenschaften von Biofilmen allgemein eingegangen, bevor es speziell um Biofilme in Trinkwassersystemen, Kühltürmen und Klimaanlagen geht. Der Ausflug in die Biochemie mag manchmal als schwierig empfunden werden, ist jedoch für das Verständnis von Nutzen und Schaden durch Biofilme notwendig.
2 Zusammensetzung von Biofilmen
Biofilme bestehen aus Mikroorganismen (Bakterien, Hefen, Pilze), eingebettet in von ihnen erzeugten polymeren Substanzen (EPS), sowie Einzellern wie Amöben, die die Biofilme als Nahrungsquelle sowie als Pool für Substanzen zum Aufbau von Zellmaterial nutzen. Als polymere Stoffgruppen in Biofilmen wurden Polysaccharide (Alginate), Proteine, Glykoproteine, Lipide, Phospolipide und Glykolipide identifiziert [4].
3 Arten von Biofilmen
In Natur und Technik existieren eine Vielzahl von Biofilmen mit unterschiedlichen Fähigkeiten (s. Tab. 1).
Obwohl Biofilme vielfach einen hohen Nutzen haben, beispielsweise in Tropfkörpern zur Abwasserreinigung, sind sie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in Trinkwasserleitungen eher unerwünscht. Sie spielen eine wesentliche Rolle bei der Kontamination von Lebensmitteln und Getränken und sind Lebensräume für humanpathogene Keime, wie z. B. Legionellen. Auch Korrosionsprobleme können eng mit Biofilmen verknüpft sein [5].
Tabelle 1: Arten von Biofilmen in der Natur und technischen Systemen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
Nützliche Biofilme | Beispiel | Nutzen/Schaden |
Abwasserbehandlung | Biofilme auf biologischen Filtern in Kläranlagen | Abbau von Schadstoffen wie Ammonium, Nitrat, Phosphaten |
Menschlicher Verdauungstrakt | Biofilme im Dickdarm (z. B. Bifidobacterium) | Förderung der Verdauung, Vitaminproduktion, Erhaltung einer gesunden Mikrobiota |
Natürliche Gewässer | Biofilme auf Steinen in Flüssen und Teichen | Aufrechterhaltung des Nährstoffkreislaufs und als Nahrungsquelle für aquatische Tiere |
Bioremediation (Umweltsanierung) | Biofilme zur Schadstoffbeseitigung in kontaminierten Böden | Abbau von Schadstoffen wie Öl, Schwermetallen, Pestiziden |
Schädliche Biofilme | Beispiel | Nutzen/Schaden |
Medizinische Geräte | Biofilme auf Kathetern, Herzklappen, Implantaten | Erhöhen das Risiko von chronischen Infektionen, besonders bei Bakterien wie Staphylococcus aureus |
Zahnbelag (Plaque) | Biofilme von Streptococcus mutans auf Zähnen | Verursacht bei mangelhafter oder fehlender Entfernung Karies, Gingivitis, Parodontitis |
Trinkwasserinstallationen | Legionellen-Biofilme in Trinkwassersystemen | Biofilme können pathogene MO wie Legionellen beherbergen, die bei Freisetzung und Vernebelung (Duschen) die Legionärskrankheit auslösen können. |
Industrieanlagen (Rohrleitungen) | Biofilme in Kühlanlagen (z. B. Legionellen) | Beeinträchtigt die Effizienz der Wärmeübertragung, führt zu Korrosion und bietet Krankheitserregern wie Legionellen einen Nährboden |
Lebensmittelverderb (Schimmelbildung) | Biofilme von Schimmel auf Brot oder Obst | Schimmel auf Lebensmitteln kann Mykotoxine produzieren, die gesundheitsschädlich sind. |
Aquakultur | Biofilme von Vibrio-Bakterien in Fischzuchtanlagen | Biofilme von pathogenen MO verursachen Krankheiten bei Fischen, z. B. Vibriose. |
Marine Systeme | Biofilme mit Leucothrix, Vibrio parahaemolythicus, Vibrio alginolyticus (schleimbildend), halophile MO (salzliebend) | Mikrofouling und Makrofouling auf Schiffrümpfen |
4 Die Entstehung von Biofilmen
Zur Bildung eines Biofilms ist immer eine Grenzfläche fest/flüssig, wobei mit flüssig auch Aerosole bzw. Nebel gemeint sein kann, notwendig. Hilfreich ist die genauere Betrachtung der Entstehung der Struktur der Biofilme und der mikrobiellen Aktivität, die in Biofilmen ablaufen können.
Zur Bildung eines Biofilms ist es notwendig, dass Mikroorganismen am Material einer Oberfläche anhaften. Der Impuls zur Haftung auf einer Oberfläche erfolgt vermutlich aufgrund von Nahrungsmangel in der unmittelbaren Umgebung sowie der Notwendigkeit, Energie zu gewinnen und sich zu vermehren. Es folgt das Motiv, den Ort der Stoffwechselaktivität vor extremen Umwelteinflüssen zu schützen. Dazu zählen starke Turbulenzen, extreme pH-Werte, Temperaturen, Strahlung, hohe Salzkonzentrationen, Desinfektionsmittel und im Falle von anaeroben Mikroorganismen Sauerstoff.