Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Anzahl an Todesf\u00e4llen aufgrund von Infektionen mit Antibiotika-resistenten Mikroorganismen wird von der WHO bis zum Jahr 2050 auf etwa 10 Millionen gesch\u00e4tzt. Damit stellen diese Infektionskrankheiten weltweit eine alarmierende Bedrohung f\u00fcr Mensch und Tier dar. Gerade in Kliniken f\u00fchrt der hohe und vor allem unvermeidbare Bedarf an Antibiotika zu stark belastetem Abwasser. Im Moment flie\u00dft Krankenhausabwasser meist durch die Verd\u00fcnnung mit Niederschlagswasser und h\u00e4uslichem Abwasser in kommunalen Kl\u00e4ranlagen zusammen. Damit stellen Kl\u00e4ranlagen einen Hotspot f\u00fcr die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen dar. \u00dcbliche Verfahren zur Entfernung von Medikamentenr\u00fcckst\u00e4nden und zur Reduzierung der Belastung mit Antibiotika-resistenten Bakterien umfassen z. B. Filtrationstechniken, Ozon, UV-Behandlung oder Chlorierung. Diese Ans\u00e4tze erfordern jedoch oft zus\u00e4tzliche Chemikalien, sind unzureichend oder nur begrenzt anwendbar z. B. aufgrund einer zu geringen Eindringtiefe und damit generell gerade f\u00fcr kleinere dezentrale Anwendungen schlecht realisierbar. Eine alternative M\u00f6glichkeit zur Behandlung von Abwasser ist die Anwendung von physikalischem Plasma. Dabei beruht der Erfolg und das Potenzial zur Abwasseraufbereitung auf der vor-Ort-Erzeugung sehr reaktiver, aber kurzlebiger Spezies (haupts\u00e4chlich Hydroxylradikale). Plasmaanlagen ben\u00f6tigen dabei nur elektrischen Strom und keine weiteren Betriebsmittel. Zudem ist eine Wirksamkeit auch in tr\u00fcbem Wasser gegeben.
\nIn der Machbarkeitsstudie sollte eine flexible vor-Ort einsetzbare Technologie entwickelt werden, die unvermeidbare mikrobiologische und chemische Kontaminationen – wie sie beispielsweise im Krankenhausabwasser anfallen – effizient abbauen kann. Die Effizienz von Plasma sollte mit anderen Wasseraufbereitungsverfahren z. B. Pulver-Aktivkohle oder auch Nanofiltration, die unter gleichen Ausgangsbedingungen von Kooperationspartnern in eigenen Projekten untersucht wurden, verglichen werden. Auf diese Weise sollten m\u00f6gliche Vorteile der Plasmabehandlung f\u00fcr den dezentralen Einsatz an sogenannten Hotspots, aber auch f\u00fcr eine 4. Reinigungsstufe in kommunalen Kl\u00e4ranlagen, untersucht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurde zun\u00e4chst eine Dekontaminationseinheit konzipiert und anschlie\u00dfend gebaut um eine dezentrale Abwasserbehandlung mit physikalischem Plasma zu erm\u00f6glichen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass die Einheit klein und leicht zu transportieren ist.
\nAnhand von Versuchen mit einem multiresistenten Escherichia coli Stamms (DSM 22664; Deutsche Stammsammlung f\u00fcr Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH) in synthetischem Abwasser erfolgte die Best\u00e4tigung der antimikrobiellen Wirksamkeit, der beiden f\u00fcr die Dekontaminationseinheit ausgew\u00e4hlten, gebauten und angepassten Plasmaquellen. Die eingesetzten Quellen nutzen das Prinzip einer gepulsten, dielektrischen Barriereentladung (DBE). Die Untersuchungen erfolgten bei Variation der Behandlungsbedingungen wie Pulsbreite oder Pulsfrequenz. Die daraus abgeleiteten optimalen Einstellungen wurden dann f\u00fcr die Behandlung von realem Krankenhausabwasser genutzt. Anhand der Quantifizierung der Mikroorganismen und diverser Pharmazeutika vor und nach der Behandlung wurde die Behandlungseffizienz des Plasmaverfahrens zur Inaktivierung von Mikroorganismen und der Eliminierung von Antibiotika nachgewiesen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Dekontaminationseinheit hat eine Gr\u00f6\u00dfe H x B x T von 1,2 x 1,0 x 0,8 m und befindet sich auf Rollen (Abb. 1). Damit ist die Einheit leicht zu transportieren und flexibel einsetzbar.
\nDie Plasmabehandlung von synthetischem Abwasser, inokuliert mit einem multiresistenten Escherichia coli Stamm (DSM 22664), resultierte in einer Inaktivierung um bis zu 5,7 log-Stufen.
\nDie antimikrobielle Wirkung konnte auf die mittels Plasma-gebildeten Spezies zur\u00fcckgef\u00fchrt werden. Dies best\u00e4tigt den entscheidenden Vorteil der Plasmaanwendung. So f\u00fchrte beispielsweise bereits eine 30-min\u00fctige Behandlung zu einer Reduktion der Mikroorganismenanzahl um 3,3 log-Stufen. Mit einer nachfolgenden Inkubation (ohne weitere Energiezufuhr) von 60 min wurde eine Inaktivierung um 5,7 log-Stufen (bis zur Nachweisgrenze) erreicht. Auch 24 h sp\u00e4ter wurden keine Mikroorganismen nachgewiesen.
\nDie Ergebnisse der Versuche mit E. coli waren die Grundlage zur Festlegung von Parametern f\u00fcr die Behandlung des realen Krankenhausabwassers durch zwei Plasmaquellen:
\nDBE-1: 100 ns-gepulste DC-Spannung von 12 kV, 3 kHz, 3 bar Druckluft, Flussrate: 80 l\/h
\nDBE-2: 100 ms-gepulste AC-Spannung von 20 kVpp, 10 kHz, 50 % duty cycle, Flussrate: 10 l\/h
\nDie Einstellungen wurden f\u00fcr Batch-Versuche mit realem Abwasser genutzt. Diese Experimente wurden mit der DBE-1 durchgef\u00fchrt und ergaben je nach Ausgangsbelastung eine Reduktion der nativen E. coli Lebendzellzahl um bis zu 4,6 log-Stufen. Dabei wurden nach der Plasmabehandlung keine Bakterien mehr auf den Agarplatten nachgewiesen. Zudem sank nach der Plasmabehandlung die Antibiotikakonzentration im Abwasser um \u00fcber 99 %.
\nEine vollst\u00e4ndige Inaktivierung der nativen E. coli Belastung im realen Krankenhausabwasser sowie ein Teilabbau von Antibiotika (von bis zu 80 %) wurde bereits mit einem f\u00fcr das System nicht optimierten Energieeintrag von 27,9 kWh\/m3 erzielt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Kooperation TIA-INP wurde in einem Flyer zur IFAT (Fachmesse f\u00fcr Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft) beworben. Die Ergebnisse wurden in einem Artikel f\u00fcr die Zeitschrift Management und Krankenhaus ver\u00f6ffentlicht und finden Verwendung in den Vorlesungen von Hrn. Dr. M\u00fcller-Blanke (TIA, Hochschule Wismar) und Prof. Dr. Kolb (INP, Universit\u00e4t Rostock). Zudem wurde eine Masterarbeit (Jan Willruth) \u00fcber die Projektergebnisse verfasst. Auf der PPPS 2025 (IEEE Pulsed Power & Plasma Science Conference) in Berlin werden die Ergebnisse der \u00d6ffentlichkeit ebenfalls vorgestellt.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
F\u00fcr die Dekontaminationseinheit mit physikalischem Plasma wurde eine effektive Inaktivierung von Mikroorganismen (einschlie\u00dflich Antibiotika-resistenten Mikroorganismen) und ein Abbau von Pharmazeutika (einschlie\u00dflich Antibiotika) in Batch-Versuchen erfolgreich best\u00e4tigt womit das Projektziel erreicht wurde.
\nDie Weiterentwicklung des Systems\/Prozesses zur Steigerung der Energieeffizienz und Aufskalierung soll in einem zu beantragenden Folgeprojekt untersucht werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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