SafeBallastWater

Entwicklung einer auf hydrodynamisch induzierter Kavitation basierenden Technologie zur Hygienisierung von Ballastwasser. Ziel ist die vollständige Abtötung von Mikroorganismen und Algen.



Prüfstand
Prüfstand


Projektbeschreibung

Derzeit werden etwa 90 % der Welthandelsgüter (ICS, 2018) per Schiff transportiert. Zum Transport der Handelsgüter, insbesondere aber bei Leerfahrten müssen die Schiffe Ballastwasser aufnehmen und kurz vor Hafenanlauf wieder abgeben, um den Trimm, die Kränkung, den Tiefgang, die Stabilität oder die Spannungen des Schiffes zu regulieren (Umweltbundesamt, 2018).


Mit dem Ballastwasser werden verschiedenste im Wasser lebende Arten aufgenommen und mit den Schiffen um die Welt transportiert und so verbreitet. Der WWF geht davon aus, dass jeden Tag 7000 Marine- und Küsten-Spezies unbemerkt durch die Ozeane geschifft werden und am Ende der Reise mit dem Ablass des Ballastwassers in eine neue Umgebung entlassen werden. Aggressivere und sich schnell vermehrende Arten, die günstige Lebensbedingungen vorfinden, können jedoch Invasiv werden und in Konkurrenz zur heimischen Flora und Fauna treten. Ein zusätzliches Fehlen von natürlichen, inhibitorischen, biologischen Faktoren, wie Räubern, Pathogenen, oder Parasiten kann so dazu führen, dass es im schlimmsten Fall sogar zur Verdrängung von heimischen Arten aus ihrem angestammten Ökosystem kommt. So zieht der Eintrag dieser invasiven Arten neben den ökologischen Schäden häufig auch eine Reihe ökonomischer und gesundheitlicher Probleme nach sich (WWF, 2009), (Umweltbundesamt, 2018). Neben der Verdrängung von heimischen Arten, können insbesondere Mikroorganismen auch genetische Informationen austauschen (Baroni, 2013), so dass sich Resistenzen oder pathogene/toxische Eigenschaften schneller verbreiten könnten.


Es wird davon ausgegangen, dass mit jedem Milliliter Seewasser 200.000 bis 50 Millionen Viren in den Ballastwassertank aufgenommen werden (Ballastwatermanagement UK, 2017

Dies unterstreicht die Wichtigkeit der Unterbindung der Einschleppung nicht-heimischer Arten, weshalb nach dem jüngsten Beschluss des Ausschusses für den Schutz der Meeresumwelt (Maritime Environment Protection Committee, MEPC) der internationalen Seeschifffahrts-Organisation (International Maritime Organisation, IMO), alle betroffenen Schiffe bis spätestens zum Jahr 2024 mit Systemen zur Behandlung ihres Ballastwassers ausgestattet sein müssen (Umweltbundesamt, 2018).


Der ZeSys e.V. entwickelte eine Technologie zur Hygienisierung von Mikroorganismen im Ballastwasser der Schiffe, um beim Ablassen in fremden Regionen deren Ausbreitung in nicht angestammten Lebensräumen zu Verhindern. Dazu wurde vom ZeSys e.V. für die Entwicklung der Technologie und des Funktionsmusters zur Hygienisierung von Mikroorganismen im Ballastwasser ein Versuchsstand konstruiert und gebaut, der auf den physikalischen Komponenten der Kavitation beruht. Das zu behandelnde Ballastwasser wird über eine Hochdruckanlage Spezialdüsen zugeführt, über die dann jeweils ein flexibles hydrodynamisches Kavitationsfeld erzeugt werden kann. In diesem steuerbaren Kavitationsfeld werden in den Kavitationsbläschen Drücke von mehreren hundert bis tausend bar und Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius erzeugt, die in Kombination mit den entstehenden hohen Scherkräften zur Zerstörung von Mikroorganismen und Algen führen. Dabei kommen keine chemischen Zusätze zum Einsatz, ebenso wurde kein ultraviolettes Licht im Rahmen der Entwicklung integriert, so dass ein rein physikalisches Hochdruckverfahren zum Einsatz kommt.


 

Mit dem Prüfstand wurden nachfolgende Ergebnisse erzielt:


Tabelle 1
Tabelle 1

Die Reduktion von 6,8E+06 auf 4,1E+03 KbE/ml entspricht der Tötung von 99,94% der im Fluid enthaltenen Mikroorganismen.

Die bei den Tests genommenen Proben wurden sowohl per PCR als auch mikrobiologisch analysiert. Nachfolgend aus einer Testreihe mit drei Versuchsreihen die PCR Analysergebnisse:



Tabelle 2
Tabelle 2

„Der Schädigungsgrad der Zellen beeinflusst auch unsere Unterscheidung zwischen lebenden und toten Zellen. Wir blockieren die DNA stark geschädigter Zellen effektiv und weisen diese nicht mehr in der PCR nach. Leicht geschädigte Zellen werden evtl. weniger effektiv blockiert und daher in der PCR mitgezählt. Außerdem weist die PCR jede Zelle nach und zählt Zellhaufen nicht als eine Kolonie. Sich teilende Zellen werden ebenso schon als zwei Zellen gezählt. Daher sind PCR-Ergebnisse meist etwas höher (geringere Abbauwerte) als Mibi-Ergebnisse.“ (C. Cordes, HS Bremerhaven) Die Ergebnisse sind jeweils Durchschnittsergebnisse durch Mehrfachbestimmung.


Parallel zu den Tests mit Mikroorganismen erfolgten in Zusammenarbeit mit dem Partner Ankron Tests zur Algenvernichtung. Dazu wurde das vorbereitete, mit Algen versetzte Fluid zuerst durch die von Ankron entwickelte Filteranlage und anschließend durch die Kavitationsanlage gepumpt. Im Ergebnis wurde folgendes Analyseergebnis (Auszug aus dem Testprotokoll Ankron 10/2021 ) ermittelt:


„Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Kavitation. Der Effluent der Kavitation wurde auf lebendes Zooplankton und Algen untersucht. Des Weiteren wurde die biologische Aktivität der Algen bestimmt.

Tabelle 3
Tabelle 3

Die besten Ergebnisse für Zooplankton und Algen wurden mit der Einstellung V0-5 erzielt. Zooplankton war in allen Proben nicht mehr vorhanden und es konnte auch keine Überreste gefunden werden.“



 

Fazit


  • Die entwickelte Technologie ist im Umfang der Auslegung des Labormaßstabes sowohl für die Tötung/Inaktivierung von Mikroorganismen als auch der Vernichtung von Algen sowie deren Kombination im Ballastwasser und ähnlich befallenen Fluids prinzipiell erfolgreich einsetzbar.


  • Für größere Durchlaufmengen ist die Laborauslegung entsprechend zu vervielfachen. Für den Einsatz auf großen Schiffen zur Ballastwasser-Hygienisierung ist die Technologie auf Grund der gegenwärtig noch nicht möglichen Skalierbarkeit nach oben ungeeignet. Hierzu sind Weiterentwicklungen der Technologie erforderlich.


  • Die Druckstufen sind der zu behandelnden Fluid/Inhaltsstoff – Kombination und damit der Düsenfeinauslegung durch empirische Datenermittlung anzupassen.


  • Bei der konstruktiven Auslegung muss der erforderliche Absolutdruck im Kavitationsfeld konstant gewährleistet sein.


  • Für die Vernichtung von Algen und deren Neubildung ist das zweistufige Verfahren in der Stufung 105-110/6-10 bar mit dem geringeren Energiebedarf, sowohl in der Laborkonfiguration als auch in deren Skalierung nach oben anwendbar.

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