Verfahren und Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung oder Widerspiegelung von Eigenschaften von mit einem vorzugsweise wässrigen oder organischen Milieu in Kontakt kommenden Materialien

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, zur Erfassung von Wechselwirkungsparametern zwischen biologischen Systemen und Materialeigenschaften, insbesondere von Parametern, die als Hinweis auf eine mikrobiell induzierte Korrosion eines Materials dienen.

BRILL beschreibt bereits 1995, dass durch mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) der Wirtschaft jährlich Schäden in Milliardenhöhe entstehen. Betroffen sind Metalle einschließlich Kupfer, mineralische Werkstoffe, Kunststoffe und Beschichtungen. Gegenwärtig gibt es keine ausreichenden Möglichkeiten zur Messung bzw. Abschätzung des MIC-Potenzials eines Systems und damit zur Voraussage der Ge- fährdung. Selbst die konkrete Ursachenbestimmung und damit die Festlegung von Verantwortlichkeiten sowie eine zielgerichtete Beseitigung der Ursachen ist faktisch nicht möglich. Geeignete Verfahren und Vorrichtungen, Methoden und Messsysteme bzw. Sensoren sind dringend erforderlich, um in diesem Bereich geeignete Ansätze für eine Schadensbegrenzung und -Verhinderung zu ermöglichen. Ein

wesentlicher Teilschritt des Entstehens von MIC besteht in der Herausbildung eines Biofilms. Biofilme bilden sich praktisch auf allen Flächen, die mit einem wäss- rigen oder organischen Milieu in Kontakt kommen und es sind bisher keine Werkstoffe bekannt, die einer Besiedlung durch Mikroorganismen widerstehen. Bisher ging man davon aus, dass das Material der Oberfläche nur geringen oder gar keinen Einfluss auf die Biofilmentwicklung hat (Edstrom Industries, Inc. „Biofilm - The Key to Understanding and Controlling Bacterial Growth in Automated Drinking Water Systems", Second Edition by Paula H. Dreeszen, June 2003, S. 13). Diese Annahme wurde allerdings in letzter Zeit nicht so bestätigt.

Damit ergibt sich jedoch auch ein Bedarf an geeigneten und effektiven Messverfahren und Messeinrichtungen, die derartige Materialeigenschaften oder -parameter auf einfache und wirtschaftliche Weise erfassen und auswerten können.

Die in DE 103 41 397 A1 , DE 296 00 71 1 U 1 , DE 195 48 300 A1 und anderen Quellen beschriebenen Systeme betreffen zwar bereits verschiedene Lösungen zur Untersuchung der Metallkorrosion bzw. zur Messung von Biofilmen und Belägen, diese haben jedoch den Nachteil, dass die Anlagerung von Mikroorganismen bzw. anderer Biomolekülen spontan, d. h. ungesteuert geschieht und in der Regel sehr lange dauert. Da realisierbare Messsignale bei vielen Meßmethoden von der Schichtdicke der Biomoleküle abhängig sind und zumindest anfänglich die Schicht- dicken sehr gering sind, dauert es oft sehr lange, bis der Prozess detektiert werden kann. In DE 103 41 397 A1 wird richtigerweise formuliert, dass indirekte Methoden erst in einem späten Stadium der Biofilmbildung ansprechen und somit weniger für Fälle geeignet sind, in denen frühzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen.

Andere Verfahren, wie z. B. Messung des Aufwuchses als sogenanntes Biofilmpotential über Adenosintriphosphat (ATP) (van der Kooji, D. and Venendaal, H. R.: Biomass Production Potential of Materials in Contact with Drinking Water: Method and Practical Importance; Water Sei. Technology, Water Supply 1 (2001 ), S. 39- 45), benötigen eine Zeitdauer von 16 Wochen und erfordern einen relativ hohen technischen Aufwand.

Auch das weiter entwickelte Verfahren nach DVGW W 270 benötigt trotz Verkürzung der Untersuchungsdauer eine Expositionszeit von noch mindestens einem bis drei Monaten, bis erste Ergebnisse zur Materialbeurteilung vorliegen (GWF Wasser Abwasser 146 (2005), Nr. 13, Georg-Joachim Tuschewitzki „W270 - Ein Beitrag zur europäischen Produktprüfung").

Zur Charakterisierung derartiger Prozesse wäre es also äußerst vorteilhaft, dieselben zielgerichtet beschleunigen bzw. anderweitig zielgerichtet beeinflussen zu können. In JP 2000162120 A geschieht dies mittels Erwärmung der Probenkörper, in DE 103 41 397 A1 durch eine Aufrauung der Oberfläche. In DE 10 2005 012 824 A1 wird dagegen eine hochreine Oberfläche als vorteilhaft formuliert. Gegenstand dieser Lösung ist weiterhin die Messung elektrochemischer und/oder physikalischer Parameter.

US 5,049,492 beschreibt ein Verfahren zum überwachen von Biofilmen in einem Wasserverteilersystem, wobei die Biofilmproben mit dem Wasser in Kontakt ge- bracht und anschließend der sich bildende Mikroorganismenbewuchs durch geeignete Biofilmauswertungsmethoden untersucht und ausgewertet wird. Die Biofilme werden auf unterschiedlichen Oberflächen (z.B. poliert und geraut) aufgebracht.

Biosensorische und bioanalytische Verfahren und Methoden können durch die biologisch aktive Substanz zwar Eigenschaften des Milieus bzw. des Analyten darin messen, aber Eigenschaften von Materialien, die in dieses Milieu eintauchen bzw. Wechselwirkungen zwischen dem Milieu und dem eintauchenden Material nicht erfassen. Aus der Keimzahlbestimmung in der Flüssigkeit lässt sich jedoch kein verlässlicher Rückschluss auf den Beitrag zur Ablagerungsbildung ziehen, so dass für die Veranlassung von Gegenmaßnahmen geeignete Messmethoden und -Systeme erforderlich sind (DE 103 41 397 A1 ). Ein weiterer Nachteil besteht auch hier darin, dass bei langzeitabhängigen Wechselwirkungen, wie sie z. B. bei biologisch induzierten Korrosionsprozessen auftreten, das Messverfahren bzw. die erforderliche Vorrichtung, die das Verfahren realisiert, nicht geeignet ist, die Erfassung dieser Eigenschaften zu beschleunigen, d. h. gewissermaßen im Zeitraffer zu erfassen, und damit entstehende Schäden vorauszusagen.

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Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, unter zielgerichteter Nutzung der Fähigkeiten biologischer Systeme im Sinne der Biosensorik oder Bioanalytik ein einfaches, praktikables Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die geeignet sind, diese Nachteile zu kompensieren, d. h. nicht nur oder vorrangig Eigen- schatten des Milieus bzw. von Analyten zu messen, sondern Eigenschaften von Materialien, die in dieses Milieu eintauchen, bzw. Wechselwirkungen zwischen dem Milieu, biologisch relevanten Komponenten und dem eintauchenden Material. Darüber hinaus soll das System in der Lage sein, die Erkennung dieser Eigenschaften zu beschleunigen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt also vorzugsweise auf der Basis definiert beschichteter Metalloberflächen, anderer Festmaterialien oder anderer signallei- tender Schichten, die hierin als Trägeroberflächen oder Trägerschichten bezeichnet werden. Durch die signalleitende Fähigkeit der Trägerschicht ist der besonders einfache Aufbau eines Sensors gewährleistet, da die signalleitende Trägerschicht über ein Messgerät mit einer Gegenelektrode zur Erfassung der Signale und Signaländerungen verbunden werden kann. Selbstverständlich wäre es jedoch auch möglich, ein nicht signalleitendes Trägermaterial mit einer signalleitenden Be- schichtung zu versehen, die dann gemeinsam mit der Gegenelektrode zur Messwerterfassung an ein Messgerät angeschlossen wird.

Die Trägerschicht ist vorzugsweise von einer signalisolierenden Schicht (Isolierschicht) bedeckt. Die signalisolierende Schicht hat den Vorteil, dass zeitabhängige Parameter genauer erfasst werden können. Ein Signal bzw. eine Signaländerung an der signalleitenden Schicht wird nämlich erst dann erzeugt, wenn es den Biomolekülen gelingt, aus dem Milieu durch den Schichtaufbau auf der Trägerschicht zu letzterer vorzudringen. Dieses erlaubt Rückschlüsse auf Umfang und Intensität des biologischen Potentials im Milieu und dessen Affinität zur Trägerschicht. Die signal- isolierende Schicht kann für bestimmte Anwendungszwecke auch entfallen.

Die signalleitende Trägerschicht oder die signalisolierende Schicht ist wiederum von einer Schicht bedeckt, die geeignet ist, biologische und/oder biochemische Prozesse auf ihrer Oberfläche und in ihr zu initiieren und/oder zu beschleunigen. Sie wird deshalb nachfolgend als Beschleunigungsschicht bezeichnet.

Zusammensetzung und Beschaffenheit dieser Beschichtungen sind so gestaltet, dass damit weiterhin Materialeffekte des Probenmaterials, vorzugsweise des Trägermaterials, verstärkt oder selektiv verstärkt auf die Mikroorganismen bzw. auf die durch sie bewirkten Prozesse wirken können. Besonders überraschend ist, dass identische Beschichtungen auf ähnlichen Materialien, z. B. Stählen, nicht zu einem identischen Biofilmbildungsprozess führen, sondern eine Stahlart-typische Besiedlung erzielt werden kann. Es wird vermutet, dass seitens des Materials sowohl stoffliche als auch physiko-chemische Signale an das Milieu abgegeben werden, die zu einer unterschiedlichen Affinität der Biologie zum Trägermaterial führen. Es können auch weitere Materialeigenschaften des Trägers und/oder Wechselwirkun- gen zwischen Milieu und Träger gemessen werden.

Die Eigenschaften der Beschleunigungsschicht, d. h. insbesondere ihre Konsistenz und Zusammensetzung, ist variabel, da sie, für den Fachmann verständlich, jeweils den milieugegebenen Bedingungen angepasst werden muss. Typischerweise darf sie nicht leicht wasserlöslich und nicht abwaschbar sein, soll mittels ihrer Oberflä- chenqualität die Anlagerung von Mikroorganismen begünstigen und Nähr- oder andere Stoffe enthalten, die das Wachstum der zu begünstigenden Mikroorganismen beschleunigen. Eine geeignete Beschleunigungsschicht kann zu etwa 50 % aus einer Proteinlösung und zu etwa 50 % aus einer haftvermittelnden, solartigen Komponente bestehen. Die Proteinlösung enthält Nährstoffe, die das Wachstum bzw. die Anlagerung von Mikroorganismen begünstigen. Das Aufbringen der Beschleunigungsschicht erfolgt vorzugsweise durch Eintauchen in eine vorbereitete flüssige Mischung aus Proteinlösung und haftvermittelnder Komponente. Die aufgebrachte Schicht ist anschließend zu trocknen.

Die Eigenschaft der Isolierschicht ist typischerweise so gestaltet, dass im unbesie- delten Zustand eine Signalleitung zwischen Milieu und Trägerschicht unterbunden

ist. Erst bei einer Mikroorganismenbesiedlung wird die Signalisolierung unterbrochen und bildet eine abhängige Funktion von Besiedlungsart und -umfang. Als vorteilhaft hat sich als Isolierschicht z. B. ein Lack auf Naturbasis erwiesen.

Es wurde nachgewiesen, dass eine derartige signalisolierende Schicht das Wachs- tum von Mikroorganismen nicht hemmt. Die signalisolierende Schicht wird vorzugsweise durch Tauchen der Trägerschicht in den flüssigen Lack in dünner Schicht auf diese aufgebracht.

Mit dem erfindungsgemäßen System können erste Auswertungsergebnisse bereits nach ca. 48 Stunden erhalten werden, stabile reproduzierbare Ergebnisse liegen in 8 - 10 Tagen vor. Somit sind in wesentlich kürzerer Zeit als mit den bisher bekannten Verfahren Ergebnisse zur Materialbeurteilung verfügbar

Die Erfindung nutzt also den Effekt, durch Auftragen von einer oder mehreren definiert zusammengesetzten Schichten, z. B. einer Isolier-, einer Adsorptions-, einer Beschleunigungsschicht, die Biofilmbildung oder den mikrobiellen Angriff positiv zu beeinflussen und damit Materialeffekte des Probenmaterials, vorzugsweise Metalloberflächen, verstärkt oder selektiv verstärkt auf die Mikroorganismen bzw. auf die durch sie bewirkten Prozesse wirken zu lassen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schichtaufbau mit geeigneten Messanordnungen kombiniert, die auch eine rechnergestützte Messanordnung umfassen kann, so dass eine computergestützte Messwerterfassung und -auswertung erfolgen kann. Es sind zum Beispiel, wie an sich bekannt, Messungen der Impedanz, des Potenzials, des elektrischen Widerstandes oder der Kapazität möglich. Die genannten Messmethoden eignen sich sowohl für den Nachweis der Durchdringung der signalisolierenden Schicht und damit einer begin- nenden Biofilmbildung als auch zur Detektion einer beginnenden Korrosion. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet, als Biosensor ausgebildet und eingesetzt zu werden. Dieser kann sowohl unter labortechnischen Bedingungen als auch vor Ort zu Probe- und Kontrolluntersuchungen eingesetzt werden.

Für derartige Biosensoren, insbesondere sogenannte „Eintauchsensoren" ist es besonders vorteilhaft, als Trägermaterial poröse Strukturen, insbesondere an sich bekannte offenzelluläre Metalle auf der Basis von Faserstrukturen oder offenporigen Kugelstrukturen, vorzugsweise versinterte metallische Fasern und Hohlkugel- strukturen, einzusetzen, weil sie aufgrund ihrer hohen inneren Oberfläche ein stärkeres Signal erwarten lassen als ein „Flächensensor" mit identischen äußeren Abmessungen.

Versinterte metallische Fasern weisen ein ausschließlich offenporiges Gefüge mit einer relativ breiten Porengrößenverteilung auf. Dies erlaubt eine gute Durchströ- mung der Struktur und damit einen funktionellen Einsatz als Trägermaterial für einen Biosensor.

Als besonders vorteilhaft haben sich Hohlkugelformkörper (HKF) erwiesen. HKF weisen eine genau definierte Mischung zwischen offener und geschlossener Porosität auf. Ihre mechanischen Eigenschaften sind in einem sehr breiten Bereich einstellbar, indem unterschiedliche Kugeldurchmesser und -Wandstärken eingesetzt werden. Der herstellbare Durchmesserbereich reicht von etwa 0,5 bis 10 mm bei Kugelwandstärken von rund 20 bis über 500 μm. Durch die praktisch monomodale Verteilung von Hohlkugelgröße und -Wandstärke bieten sie eine optimale Kontrolle über die mechanischen Eigenschaften.

Mit der Erfindung wird ein geeignetes Messverfahren und eine einfache, robuste und sehr variable Messvorrichtung für den Einsatz unter verschiedensten Material- und Milieubedingungen zur Verfügung gestellt, mit der insbesondere mit MIC in Zusammenhang stehende Materialeigenschaften und Materialparameter in wesentlich kürzerer Zeit ermittelt und beurteilt werden können, um dem Konstrukteur wasserwirtschaftlicher oder anderer Anlagen Entscheidungskriterien für die geeignete Materialauswahl an die Hand zu geben. Aber auch bereits bestehende Anlagen oder Anlagenteile können damit einer Untersuchung auf das Korrosionspotenzial oder anderer Parameter und Eigenschaften des Materials unterzogen werden,

wobei Untersuchungsergebnisse in wesentlich kürzerer Zeit als bisher zur Verfügung stehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Ausführungsbeispiel 1

Proben von Edelstahl unterschiedlicher Qualität und Zusammensetzung, wie sie z. B. für Rohrleitungen oder Speicherbehälter eingesetzt werden, werden mit einer erfindungsgemäßen gut haftenden Schicht, die in der Lage ist, den Stoffwechsel von Mikroorganismen wirksam zu beeinflussen, bedeckt. Qualität und Zusammensetzung dieser Schicht sind nicht gleichmäßig, sondern definiert über die Oberfläche verteilt, wobei dies für alle Metallproben identisch ist. Diese Proben werden im Labor oder vor Ort in das Milieu eingebracht, das sich bestimmungsgemäß in den Rohrleitungen befindet oder zirkuliert, wobei die physikalischen Parameter, wie Temperatur, Druck und Fließgeschwindigkeiten variiert werden können.

Je nach den Eigenschaften der Edelstahlproben in ihrer Wechselwirkung zu dem bestimmungsgemäßen Milieu (Rohr- oder Behälterinhalt) kommt es auf der Ober- fläche der Edelstahlproben zu definiertem Mikroorganismenbewuchs und ggf. zu Korrosionserscheinungen des Metalls.

Art und Umfang dieser Erscheinungen sind damit Grundlage für Materialauswahl, Korrosionsschutzmaßnahmen, etc.

Ausführungsbeispiel 2

Die jeweilige Edelstahlprobe wird gleichzeitig über ein Meßsystem mit einer in das Milieu eintauchenden Gegenelektrode verbunden.

Der messtechnische Aufbau gemäß Figur 1 realisiert beispielsweise eine an sich bekannte Potenzialmessung mit einer Gegenelektrode 1 und einer signalleitenden Trägerschicht 2. Es wird ein aktuelles Signal registriert. Die Trägerschicht 2 ist mit einer Beschleunigungsschicht 3 versehen. Sie steht in Kontakt mit einem Milieu 5, welches Biomoleküle oder Zellen 6 enthält. Die Beschleunigungsschicht 3 ist in der Lage, die Aktivität der Biomoleküle 6 oder das Wachstum der Zellen deutlich zu erhöhen. Diese lagern sich an der Beschleunigungsschicht 3 an, durchdringen diese im Zeitverlauf und gelangen schließlich zur Trägerschicht 2. Wenn es Biomolekülen 6 gelingt, bis zur Trägerschicht 2 vorzudringen, wird eine Signaländerung erzeugt. Diese ist eine Funktion von Besiedlungsart und Besiedlungsumfang und ermöglicht Rückschlüsse auf das Verhalten des untersuchten Materiales bzw. auf Wechselwirkungen des untersuchten Materials 2 mit dem Milieu 5.

Ausführungsbeispiel 3

Der Aufbau der Vorrichtung gemäß Figur 2 realisiert eine Impedanzmessung mit einer Gegenelektrode 1 und einer signalleitenden Trägerschicht bzw. einem signalleitenden Trägermaterial 2. Die Trägerschicht 2 besteht hier aus einem hoch legier- ten Stahl in Form einer Metallplatte mit den Abmessungen 9 x 1 x 0,3 cm (L x B x H). Als Gegenelektrode 1 fungiert eine Metallplatte aus dem selben Material und mit den selben Abmessungen. Alternativ kann die Gegenelektrode auch als Platte aus Edelmetall aufgebaut sein oder eine handelsübliche Standardelektrode sein.

Die Trägerschicht 2 ist mit einer Isolierschicht 4 versehen. Die Isolierschicht 4 besitzt eine signalisolierende Wirkung. Im konkreten Ausführungsbeispiel wird als

Isolierschicht ein Lack auf Naturbasis verwendet. Es wurde nachgewiesen, dass eine solche Schicht das Wachstum von Mikroorganismen nicht hemmt. Die signal-

isolierende Schicht 4 wird durch Tauchen der Trägerschicht 2 in den flüssigen Lack in dünner Schicht auf diese aufgebracht.

Auf der Isolierschicht 4 befindet sich eine Beschleunigungsschicht 3. Die Beschleunigungsschicht 3 ist in der Lage, die Aktivität der Biomoleküle oder das Wachstum der Zellen 6 des Milieus 5 deutlich zu erhöhen. Im konkreten Ausführungsbeispiel besteht die Beschleunigungsschicht 3 zu etwa 50 % aus einer Proteinlösung und zu etwa 50 % aus einer haftvermittelnden, solartigen Komponente. Die Proteinlösung enthält Nährstoffe, die das Wachstum bzw. die Anlagerung von Mikroorganismen begünstigen. Das Aufbringen der Beschleunigungsschicht 3 erfolgt wie im Falle der signalisolierenden Schicht 4 durch Eintauchen in die vorbereitete flüssige Mischung aus Proteinlösung und haftvermittelnder Komponente. Die aufgebrachte Schicht ist anschließend zu trocknen. Die Beschleunigungsschicht 3 steht in Kontakt mit dem Milieu 5, welches Biomoleküle oder Zellen 6 enthält. Das Medium 5 repräsentiert im konkreten Ausführungsbeispiel ein Wasser mit einem vermuteten MIC - Potential. Im Medium 5 befindliche Keime lagern sich an der Beschleunigungsschicht 3 an, vermehren sich in derselben und gelangen so zur Isolierschicht 4. Durchdringen die Mikroorganismen die Isolierschicht 4 und dringen bis zur Trägerschicht 2 vor, wird die signalisolierende Wirkung der Schicht 4 aufgehoben und ein Signal bzw. eine Signaländerung an dem Impedanzmessgerät 7 erzeugt. Der Nachweis der Durchdringung der isolierenden Schicht 4 erfolgt im konkreten Ausführungsbeispiel durch eine Messung der Impedanz. Alternativ sind Messungen des Potenzials, des elektrischen Widerstandes und der Kapazität möglich. Die genannten Messmethoden eignen sich nicht nur für den Nachweis der Durchdringung der signalisolierenden Schicht 4 und damit einer beginnenden Biofilmbildung, sondern auch zur Detektion einer beginnenden Korrosion der Trägerschicht 2.

Zur Versuchsdurchführung wird die mit der Reaktionsstrecke 3,4 versehene Trägerschicht 2 zum Beispiel in eine durchsichtige, das Medium enthaltende bzw. mit dem Medium durchströmte, thermostatierbare Küvette eingebracht. Die im Medium befindliche, mit der Reaktionsstrecke 3, 4 versehene Trägerschicht 2 ist zum

Zweck der Detektion der zu erwartenden Signaländerung mit dem Messgerät 7 verbunden.

Diese Anordnung erzielt definiertere Messsignale und erlaubt noch wesentlich exaktere Aussagen zu den ablaufenden Prozessen.

Ausführungsbeispiel 4

Die in den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 genannten Anwendungen lassen sich vorteilhafter weise auch für Vor-Ort-Anwendungen einsetzen.

Bei durchströmten, korrosionsbedrohten Rohrleitungen wird ein der Apparatur entsprechender Bypass installiert, der einen praxisrelevanten Flüssigkeitszustrom verwirklicht. In diesem Bypass wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 8 installiert, wie sie beispielsweise in den Ausführungen 2 bis 3 beschrieben ist.

Bei entsprechendem Bedarf können die Messdaten per Faxübertragung an den Empfänger weitergeleitet werden.