Kann Ultraschall zur mikrobiellen Sterilisation eingesetzt werden?

Ja, Ultraschalltechnologie kann zur Sterilisation von Mikroorganismen eingesetzt werden. Die Ultraschalltechnologie hat ein breites Anwendungsspektrum im Bereich der Mikrobiologie, einschließlich der Verwendung von Ultraschallwellen zur Abtötung und Sterilisierung von Mikroorganismen.

Ultraschallwellen erzeugen in Flüssigkeiten hochfrequente Schwingungswellen, die zu intensiven physikalischen Effekten wie Kavitation, Wirbelströmen und Resonanzeffekten führen. Diese Effekte können dazu führen, dass die Zellmembranen von Mikroorganismen reißen, Zellstrukturen schädigen und zum Zelltod führen.

In praktischen Anwendungen wird Ultraschalltechnologie typischerweise in Verbindung mit geeigneten Desinfektionsmitteln oder Sterilisationslösungen eingesetzt, um die Wirksamkeit der Sterilisation zu verbessern. Ultraschallwellen können dazu beitragen, dass Desinfektionsmittel effektiver in die Zellen von Mikroorganismen eindringen und so die Zellzerstörung und den Zelltod beschleunigen.

Daher wird die Ultraschalltechnologie in der Mikrobiologie in verschiedenen Bereichen weit verbreitet eingesetzt, einschließlich der Inaktivierung von Bakterien in Labors, der Desinfektion und Reinigung medizinischer Instrumente, der mikrobiellen Kontrolle in der Lebensmittelindustrie und mehr. Durch den richtigen Einsatz der Ultraschalltechnologie können effiziente Sterilisations- und Mikrobentötungsvorgänge effektiv durchgeführt werden.

Das Ultraschallbehandlungssystem hat sich bei der Abtötung von Bakterien, Plankton und größeren Organismen als wirksam erwiesen. Ultraschallkavitation bei der Ballastwasseraufbereitung ist eine mechanisch-physikalische Aufbereitungsmethode, die den Zusatz teurer chemischer Wirkstoffe zum Ballastwasser vermeidet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Umwelt nicht belastet wird und gleichzeitig eine hohe biologische Wirkung bei der Zerstörung und Inaktivierung von Organismen und Mikroorganismen im Ballastwasser erzielt wird.

Hintergrund:
Wenn Schiffe nicht voll beladen sind, ist Ballast erforderlich, um ihre Stabilität und Sicherheit zu gewährleisten. Wasser wird üblicherweise als Ballast verwendet, aber wenn es an der Quelle gesammelt wird, gelangen eine Vielzahl von Organismen ins Wasser, typischerweise Planktongemeinschaften. Diese Organismen können am Zielort in ein neues Ökosystem eingeschleppt werden und möglicherweise unnötige biologische Verschmutzung verursachen. Um diese potenzielle Kontamination zu verhindern, muss zur Behandlung des Ballastwassers ein wirksames Desinfektionssystem eingesetzt werden.

Die invasive Ausbreitung von Wasserorganismen wurde von der Global Environment Facility (GEF) als eine der vier größten Bedrohungen für die Ozeane identifiziert. Dies kann äußerst schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt, die Wirtschaft und die öffentliche Gesundheit haben. Um die Einschleppung schädlicher Weichtiere (z. B. Zebramuscheln, Asiatische Muscheln usw.) zu verhindern, können verschiedene Ballastwasser-Sterilisationsbehandlungen (auch als Desinfektion oder Neutralisation bezeichnet) eingesetzt werden. Eine übliche Behandlungsmethode ist die chemische Reinigung von Ballastwasser, die verwendeten Chemikalien sind jedoch umweltschädlich und kostspielig. Angesichts der zunehmenden Vorschriften zu den Gesetzen zum Ballastwassermanagement integrieren Schiffe verschiedene Ballastwasserbehandlungsmethoden wie Ultraschalldesinfektion, um den Vorschriften zu entsprechen.

Ultraschall-Druckwassersterilisation

Die Ultraschall-Druckwasseraufbereitung ist eine mechanisch-physikalische Methode, die den Einsatz schädlicher und teurer Chemikalien vermeidet. Kavitationskräfte können kleine Wasserorganismen und Mikroorganismen abtöten. Einige Studien haben gezeigt, dass Ultraschallwellen eine hohe biologische Wirkung auf Zebramuscheln, Nematoden, Bakterien und Viren haben.

Ultraschall-Kavitationsdesinfektion
Hochleistungs-Ultraschallwellen erzeugen Kavitationsblasen in der Flüssigkeit, was zur Entstehung starker Scherkräfte und hoher Spannungen führt. Wenn intensive Ultraschallwellen in die Flüssigkeit einkoppeln, breiten sich die Schallwellen in das flüssige Medium aus und verursachen je nach Frequenz abwechselnde Zyklen von hohem und niedrigem Druck. Während der Niederdruckzyklen (Verdünnungsphase) erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Lücken in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, in dem sie keine Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie während der Hochdruckzyklen (Kompressionsphase) heftig. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Bei der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000 K) und Drücke (ca. 2.000 atm) erreicht. Durch die Implosion von Kavitationsblasen entstehen Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeiten von bis zu 280 m/s.

Diese hochenergetische Blasenbildung und der Kollaps führen zu hydrodynamischen Scherkräften und Ultraschallschwingungen, die die Zellwände von Organismen zerstören und diese effektiv töten. Aufgrund der Umweltauswirkungen ultraschallgestützter Techniken sind derzeit keine Umweltprobleme bekannt oder zu erwarten.

Biologische Wirkungen von Ultraschallwellen
Einige Studien haben gezeigt, dass Ultraschallwellen Viren und Bakterien wirksam bekämpfen können. Desinfektionsstudien mit Ultraschallgeräten bei einem Durchflussvolumen von 100 gpm (Gallonen pro Minute), entsprechend 23 m3/h, zeigten eine Reduzierung um 7 log für Polioviren (<5 μm) und eine Reduzierung um 6–7 log für Cryptosporidium-Bakterien. Eine Sterblichkeitsrate von 100 % wurde bei Fadenwürmern (Spulwürmern) (8–10 μm) und Mollusken Zebramuscheln (70 μm) erreicht. In einem Durchflusssystem mit 600 gpm war die Sterblichkeitsrate der Zebramuscheln gleich.

Die Inaktivierungsrate großer Organismen erreichte 100 %, während die Inaktivierungsrate von Bakterien und Viren um 6–7 log zurückging. Bei 20-sekündiger Exposition in einem experimentellen kontinuierlichen Durchflusssystem betrug die Inaktivierungsrate von Cryptosporidium-Oozysten 93–98,6 % und nahm in einem experimentellen Batch-Reaktor nach 10 Sekunden (4 log) ab. Inaktivierungsraten wurden auch für Cryptosporidium (7 log), lebensfähige Wurmeier (4,2 log), Poliovirus (8 log), Salmonellen (9 log) und E. coli (9 log) gemeldet.

Eine Reduzierung um 2 log bedeutet, dass 99 % der ursprünglich im Wasser vorhandenen Organismen inaktiviert wurden. Eine Reduzierung um 3 Log bedeutet, dass 99,9 % inaktiviert wurden usw.

Die Verarbeitungskapazität von Ultraschallsystemen hängt auch von der Ausgangsleistung ab. Hochleistungs-/Hochintensitäts-Ultraschallgeräte erfordern eine kürzere Einwirkzeit für die Inaktivierung, wodurch höhere Durchflussraten verarbeitet werden können. Dieses Ultraschallsystem kann zur Druckbeaufschlagung und Druckentlastung eingesetzt werden.

Vorteile der Ultraschall-Druckwasseraufbereitung

· Ohne Chemikalien

· Umweltfreundlich

· Effizient

· Synergistische Effekte

· Geringer Wartungsaufwand

· Sicher und einfach zu bedienen

· Robust und zuverlässig

· Auf jede Größe skalierbar

Untersuchungen zu kombinierten Behandlungstechnologien zeigen, dass Ultraschall in Verbindung mit anderen Methoden zur Desinfektion von Druckwasser (z. B. Ozon, Chlorierung, UV-Bestrahlung, Temperatur oder Hochdruck) äußerst synergetisch ist. Aufgrund der einfachen Installation und des geringen Platzbedarfs eignen sich Ultraschallgeräte gut für die Aufrüstung und Verbesserung bestehender Druckwasseraufbereitungssysteme.