Mikrobiell funktionalisierte PSA Hydrogele Microbially functionalized ...

FOCUS
Mikrobiell funktionalisierte PSA Hydrogele
Microbially functionalized PSA hydrogels
Reinigungsverfahren Druckmaschinengehäuse
Cleaning process for printing machine housings
Schnelltest Hygiene in Reinräumen
Quick test hygiene in cleanrooms
news 6/2013

Liebe Leser,
Dear readers,
die Mittel für Forschung und Entwicklung sind
in Deutschland in den vergangenen Jahren
deutlich gestiegen. Davon hat auch unsere
Arbeit profitiert. Zahlreiche neue wfk-Projekte
konnten im Jahre 2013 beginnen. Beispiele
finden Sie in der aktuellen Ausgabe von wfk
news.
Nach der Bundestagswahl haben alle politischen
Parteien die große Bedeutung der Förderung
von Forschung und Entwicklung für den
Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen
Wirtschaft betont. Angesichts der aktuellen politischen
Situation darf man somit auch für das
Jahr 2014 im Hinblick auf die finanziellen Mittel
für wfk-Forschungsprojekte optimistisch sein.
Ihnen allen, die Sie im vergangenen Jahr unsere
Arbeit durch Ihre Mitgliedsbeiträge und Spenden,
durch Aufwendungen für Forschungsprojekte
und durch Ihre Mitwirkung in unseren
Gremien und Projektbegleitenden Ausschüssen
unterstützt haben, möchte ich herzlich für
Ihr Engagement danken.
Ich wünsche Ihnen, auch im Namen des Vorstandes
und der Mitarbeiter des wfk-Instituts,
schöne Weihnachtstage und ein glückliches
und erfolgreiches Jahr 2014.
Vorbehandlung stark verschmutzter hydrophobierter
Textilien mit mikrobiell
funktionalisierten PSA-Hydrogelen
Pretreatment of heavily soiled hydrophobized
textiles with microbially functionalized
PSA-hydrogels
Hintergrundmaterial und retroreflektierende
Streifen von Warnkleidung müssen
spezielle Leistungsanforderungen erfüllen,
die in der DIN EN ISO 20471 festgelegt sind.
Beim Gebrauch kann es je nach Einsatzbereich
zu massiven Verschmutzungen
der Warnkleidung mit Schmutzarten kommen.
Dabei stellen Mineralölderivate (Öle,
Fette) mit eingelagertem Pigmentschmutz
(Bremsstaub, Ruß etc.) besonders häufige,
stark haftende und daher schwer zu entfernende
Verschmutzungen dar.
Deshalb müssen gegenwärtig zur Gewährleistung
einer effektiven Schmutzentfernung
hohe Temperaturen, stark alkalische
pH-Werte und eine hohe Waschmechanik
eingesetzt werden. Aus diesen Gründen
müssen die Warnkleidungsteile oft schon
nach kurzer Nutzungsdauer ausgemustert
und durch Neuware ersetzt werden.
Background materials as well as retroreflective
materials of high visibility
warning clothing have to fulfil special
requirements according to DIN EN ISO
20471. Depending on field of application,
the textiles get heavily soiled. Especially
mineral oil derivatives (crude
oil, fat) with incorporated pigment
soil (brake dust, carbon black etc.) are
strongly adhesive and therefore difficult
to remove.
To ensure a sufficient soil removal,
high temperatures, highly alkaline
pH-values and high mechanical action
have to be applied. High quality
textiles can be damaged because of
these conditions. Therefore the textiles
have to be sorted out often after
a short period of usage and have to be
replaced by new textiles.
The funding of research and development has
increased significantly during the past years
in Germany. Our work could also benefit from
that. Numerous new wfk-projects could start in
2013. Examples you will find in the current issue
of wfk news.
After the parliamentary elections all political
parties have emphasised the high importance
of research funding for the preservation of the
competitiveness of German enterprises. Thus
in view of the current political situation one can
feel optimistic about the year 2014 with regard
to the funding of wfk-research projects.
I would like to thank you all cordially for supporting
our work by your membership fees and donations,
by expenditures for research projects
and by your cooperation in our bodies and project
advisory boards.
I wish you all, also on behalf of the board of
directors and the wfk-institute’s staff, a Merry
Christmas and a happy and prosperous new
year 2014.
Dr. Jürgen Bohnen
Institutsdirektor Director of the Institute
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Zur Verbesserung der Schmutzentfernung
wird in einem wfk-Forschungsprojekt ein
neues Vorbehandlungsverfahren auf der
Basis von schmutzabbauenden Mikroorganismen
entwickelt. Hierbei werden stark
verschmutzte Bereiche der Textilien mit mikrobiell
funktionalisierten adhäsiven pseudoplastischen
Hydrogelen (PSA-Hydrogel)
behandelt, die auch an hydrophobierten
Textilien haften.
Aufgrund ihrer geringeren Viskosität während
einer Druckeinwirkung (Scherkraft)
sind PSA-Hydrogele in der Lage, den Kontakt
zum Schmutz herzustellen und ihn mit
Mikroorganismen bzw. deren Stoffwechselprodukten
(Enzyme, Biotenside) zu
umschließen, so dass ein Schmutzabbau
stattfinden kann. Durch ein solches Vorbehandlungsverfahren
kann die nachfolgende
Waschbehandlung wesentlich textilschonender
und wirtschaftlicher erfolgen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden
zunächst Prüfmonitore aus verschiedenen
Hintergrundmaterialien hergestellt,
die in definierter Weise mit verschiedenen
Fetten und Ölen auf Mineralölbasis angeschmutzt
wurden. Anschließend wurden
diverse natürliche, halbsynthetische und
For improvement of soil removal, a
new pretreatment process on the basis
of soil degrading microorganisms
will be developed in a wfk-research
project. Heavily soiled textile areas
will be treated with microbially functionalized
adhesive pseudoplastic
hydrogels (PSA-hydrogels) which
also adhere to hydrophobized textiles.
Because of their low viscosity during
pressure (shearing forces), PSA-hydrogels
enabling intensive contact of
the soil degrading bacteria and bacterial
components to soil resulting
in soil degradation. By using such a
pretreatment, the subsequent washing
process can be carried out more
economically and without high textile
damage.
Within this research project, test monitors
of different background materials
were soiled with different fats and
oils on mineral oil basis. Afterwards,
different naturally, semi-synthetic
and synthetic PSA-hydrogels as well
as diverse oil degrading microorganisms
(e.g. Pseudomonas putida DSM

PROJEKTE
PROJECTS
synthetische PSA-Hydrogele sowie ölabbauende Mikroorganismen
(z.B. Pseudomonas putida DSM 291, Pseudomonas stutzeri
DSM 5190, Alkanindiges illinoisensis DSM 15370) ausgewählt.
Die PSA-Hydrogele wurden im Hinblick auf ihre Klebkraft, ihr Wasserbindevermögen,
ihr Auflösungsvermögen im Waschprozess
und die Möglichkeit zur flächigen Applikation charakterisiert. Die
PSA-Hydrogele dürfen nicht von den zu inkludierenden Mikroorganismen
verstoffwechselt werden, und die Mikroorganismen
dürfen nicht durch die Inkludierung in den PSA-Hydrogelen abgetötet
werden. Als prinzipiell geeignet erwiesen sich natürliche und
halbsynthetische PSA-Hydrogele. Die jeweiligen PSA-Hydrogele
wurden mit verschiedenen Mikroorganismen funktionalisiert und
die Gele anschließend auf die Prüfmonitore gedrückt.
Nach einer Inkubationszeit von 15 h wurden die Prüfmonitore einem
Waschverfahren unterzogen und anschließend die Schmutzentfernung
visuell sowie mittels Colorimeter ermittelt. Durch Herstellung
von PSA-Hydrogelen mit Zusatz von Nährsalzen und Tensiden
konnte der Schmutzabbau noch weiter gesteigert werden. Im
Vergleich zu einem konventionellen Waschverfahren zeigte das
mikrobielle Vorbehandlungsverfahren in Kombination mit einem
Waschverfahren bereits eine deutlich bessere Schmutzentfernung.
In weiteren Versuchsreihen wird das Verfahren zwecks Reduzierung
der Inkubationszeit optimiert.
Durch das mikrobielle Vorbehandlungsverfahren wird eine schonende
Wiederaufbereitung der Textilien bei niedrigerer Temperatur,
geringerer Waschmechanik und geringerer Chemikaliendosierung
ermöglicht, so dass eine Erhöhung der Zahl möglicher Nutzungsund
Wiederaufbereitungszyklen resultiert.
291, Pseudomonas stutzeri DSM 5190, Alkanindiges illinoisensis
DSM 15370) were chosen.
The PSA-hydrogels were characterized with regard to adhesiveness,
water binding capability, dissolving capability
during washing process and the possibility of extensive
application. To be suitable for the approach, the
PSA-hydrogels must not be metabolized by incorporated
microorganisms and must not devitalize the incorporated
microorganisms. Natural and semi-synthetic PSA-hydrogels
were suitable, in principle. The respective PSA-hydrogels
were functionalized with different microorganisms
and pressed onto test monitors, subsequently.
After an incubation time of 15 h the test monitors were
reprocessed in a washing process. Afterwards, the soil
removal was determined visually and by colorimetric
measurements. The development of PSA-hydrogels with
nutrient salts and surfactants improved the soil degradation.
The microbial pretreatment in combination with
a washing process showed a significantly better soil
removal than a conventional washing process. In future
test series the process will be optimized regarding reduction
of incubation time.
Because of a microbial pretreatment the textiles can be
processed with lower temperatures, lower mechanical action
and lower amounts of chemicals. This will result in a
substantial increase of the possible numbers of washing
and wearing cycles and, thus improves the cost effectiveness
of textile service companies.
Das IGF-Projekt 16677 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium
Textil e.V., Reinhardtstraße 12-14, 10117 Berlin, wird über
die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines
Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
The IGF-project 16677 N of the research association
Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstr. 12-14, 10177 Berlin,
is supported via the AiF within the funding programme „Industrielle
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)“ by the
Federal Ministry of Economic Affairs and Technology (BMWi)
due to a decision of the German Parliament.
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NEUE PROJEKTE
NEW PROJECTS
Entwicklung eines wasserbasierten
Reinigungsverfahrens
für Druckmaschinengehäuse
Development of a waterbased
cleaning process for
printing machine housings
Die Industriereinigung stellt für die Reinigungsdienstleister einen
wirtschaftlich bedeutsamen und ausbaufähigen Zukunftsmarkt
dar. Die Reinigung von Druckmaschinengehäusen ist hierfür ein
typisches Beispiel: Um eine hohe Druckqualität zu gewährleisten,
ist nicht nur die Sauberkeit der in den Druckmaschinen befindlichen
Gummiwalzen und -zylinder, sondern auch die Sauberkeit
der Maschinengehäuse ein zentrales Element im Qualitätsmanagement
der letzten Jahre geworden. Sowohl im Bogenoffsetdruck
mit UV-Druckfarben als auch im Heatset-Rollenoffsetdruck
und beim Zeitungsdruck mit herkömmlichen Druckfarben lagern
sich Aerosole an den Gehäusen der Druckmaschinen ab. Diese
Ablagerungen können zu Druckfehlern infolge einer Verschleppung
der Tinte auf die zu druckenden Oberflächen führen. Insgesamt
steigen die Anforderungen an die Reinigung von Druckmaschinengehäusen
kontinuierlich an.
Deshalb müssen durch Reinigung der Maschinengehäuse auch
kleinste Druckfarbenmengen bestmöglich entfernt werden. Die
derzeit eingesetzten Reinigungsverfahren weisen jedoch gravierende
Nachteile auf:
• Der umfangreiche Einsatz organischer Lösemittel zur
Schmutzablösung erfordert kostenintensive Maßnahmen
des Arbeits- und Umweltschutzes.
• Um einen kontinuierlichen Betrieb der Druckmaschinen sowie
hohe Druckqualitäten zu gewährleisten, müssen die genannten
Reinigungsarbeiten in Stillstandzeiten der Anlagen durchgeführt
werden.
• Aufgrund des hohen Anteils manueller Tätigkeiten zur Entfernung
der stark anhaftenden Druckfarben sind die derzeitigen
Verfahren sehr personal-, zeit- und damit kostenintensiv.
Industrial cleaning represents a very important and economically
promising future market for the cleaning service
companies. The cleaning of printing machine housings is
a typical example: To ensure high quality printing, not only
the cleanliness of the rubber rollers and cylinders located
in the printing machine, but also the cleanliness of the
machine housing has become a central element in quality
management in recent years. Both in sheetfed offset printing
with UV inks and heatset web offset and newspaper
printing with conventional printing inks aerosols are deposited
on the housings of the printing machines. These
deposits can cause print defects due to a carryover of ink
on the surface to be printed. Overall, the demands increase
continuously during the cleaning of printing machine housings.
Therefore even the smallest amounts of ink must be removed
best by cleaning the machine housings. The cleaning
methods currently used, however, have serious drawbacks:
• The extensive use of organic solvents for soil removal
requires costly measures of labor and environmental
protection.
• To ensure continuous operation of the printing machine
and high print qualities the mentioned cleaning
work must be carried out in downtime of the equipment.
• Given the high proportion of manual work for the removal
of strongly adhering ink the current procedures are
very labor-, time-and cost-intensive.
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NEUE PROJEKTE
NEW PROJECTS
Druckereien führen gegenwärtig die Reinigung noch häufig mit
betriebseigenem Personal durch. Das für die Verrichtung von Reinigungsarbeiten
häufig überqualifizierte Personal kann sich dadurch
nicht auf seine Kernkompetenzen konzentrieren, so dass die
Wirtschaftlichkeit der Druckereibetriebe beeinträchtigt wird. Aus
den genannten Gründen sowie aufgrund des in den vergangenen
Jahren bei vielen Betreibern erfolgten Personalabbaus besteht die
zunehmende Tendenz, externe Reinigungsdienstleister mit der
personalintensiven Reinigung von mit Druckfarben angeschmutzten
Druckmaschinengehäusen zu beauftragen.
Die Reinigung von Druckmaschinengehäusen durch externe Reinigungsdienstleister
bedeutet somit für die Druckereibetriebe hohe
wirtschaftliche Entlastungen und für die Reinigungsdienstleister
ein zukünftiges Marktpotential. Voraussetzung für die Erschließung
dieses Marktpotentials sind wirtschaftliche Reinigungsverfahren
für stark adhäsive Verschmutzungen wie Druckfarben.
Wie Voruntersuchungen der zwei kooperierenden Forschungsstellen
(wfk - Cleaning Technology Institute und Fogra-Institut in
München) zeigen, liegt ein Lösungsansatz in erneuerbaren Soil-
Release-Beschichtungen für Druckmaschinengehäuse auf der
Basis amphiphiler, mikroporöser Hydrogele mit hoher Hydrophobizität.
Das Projekt hat am 01.12.2013 begonnen. Interessenten für
eine Mitarbeit im Projektbegleitenden Ausschuss sind herzlich
willkommen.
Printing shops are currently performing the cleaning often
with own staff. This for the performance of cleaning tasks often
over qualified staff cannot concentrate on its core competencies,
so that the efficiency of many small or medium-sized
printing companies will be affected. For these reasons and
because of the staff cuts performed by many operators in
recent years, there is a growing tendency to commission external
cleaning service companies with the labor-intensive
cleaning of printing machine housings which are soiled with
ink.
The cleaning of printing machine housings by external cleaning
service companies thus means high economic relief for
the printing companies and a huge future market potential for
the cleaning service companies. Prerequisite for the development
of this market potential are economical cleaning methods
for strongly adhesive contaminants such as inks.
As preliminary investigations of the two cooperating research
centers (wfk - Cleaning Technology Institute and
Fogra - Institute) show, an approach for this lies in renewable
soil release coatings for printing machine housings on
the basis of amphiphilic microporous hydrogels with high
hydrophobicity. The project started on 01.12.2013. You are
welcome to participate in the meetings of the project advisory
board.
Das IGF-Projekt 17952 N der Forschungsvereinigungen Europäische
Forschungsgemeinschaft Reinigungs- und Hygienetechnologie
e.V., Campus Fichtenhain 11, 47807 Krefeld, und der Fogra
Forschungsgesellschaft Druck e.V., Streitfeldstraße 19, 81673 München,
wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung
der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
The IGF-project 17952 N of the research associations Euro pä ische
Forschungsgemeinschaft Reinigungs- und Hygienetechnologie
e.V., Campus Fichtenhain 11, 47807 Krefeld, and the Fogra
Forschungsgesellschaft Druck e.V., Streitfeldstraße 19, 81673
München, is supported via the AiF within the funding program
„Industrielle Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)“
by the Federal Ministry of Economic Affairs and Technology
(BMWi) due to a decision of the German Parliament.
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PROJEKTE
PROJECTS
Schnelltests zum Nachweis
von Reinheit und Hygiene in
Reinräumen für Reinigungsdienstleister
Reinräume sind geschlossene Systemräume, in denen der Partikelgehalt
der Luft entsprechend der jeweiligen Reinraumklasse
minimiert wird. Zum Einsatz kommen solche Räume bei speziellen
Fertigungsverfahren, z.B. bei der keimfreien Herstellung von
Arznei- und Lebensmitteln, bei der Halbleiterfertigung und in
Krankenhäusern. Diese kontrollierten Bereiche unterliegen strikten
Reinheits- und Hygieneanforderungen. Es werden daher spezielle
Methoden zur Detektion der Anzahl und Größe vorhandener Partikel
und häufig auch von chemischen und mikrobiellen Kontaminationen
benötigt. Mikrobielle Belastungen werden in der Praxis
häufig mittels klassischer mikrobiologischer Methoden, d.h. durch
Kultivierung und gegebenenfalls phänotypische Auswertung,
untersucht. Diese Methoden erlauben nur einen geringen Durchsatz,
erfordern eine Auswertung durch externe Labore und sind
dadurch zeit- und kostenintensiv. Neuartige molekularbiologische
Methoden, z.B. auf der Basis von real-time-PCR (Polymerase-Kettenreaktion),
sind oftmals zu komplex in der Anwendung, Auswertung
und Interpretation.
Folglich ist die Entwicklung schneller und einfacher Methoden zur
Evaluierung der Reinheit und Hygiene gereinigter und desinfizierter
Oberflächen in Reinräumen von großem Interesse.
Solche Methoden werden aktuell im Rahmen eines Forschungsprojektes
am wfk - Institut in Krefeld in Kooperation mit der Fakultät
der Gesundheitswissenschaften der Universität Maribor in Slowenien
entwickelt. Gegenwärtig arbeitet die Universität Maribor an einer
qualitativen Analysemethode zur genotypischen Identifikation
und das wfk-Institut an einer Methode zur schnellen Quantifizierung
von Mikroorganismen.
Den Forschern der Universität Maribor ist es gelungen, ein effizientes
molekularbiologisches Verfahren zur Identifikation von Mikroorganismen
basierend auf einer PCR-Methode zu entwickeln.
Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass ein gleichzeitiger Nachweis von
bis zu sieben relevanten Keimen wie Enterococcus faecium, Staphylococcus
aureus, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Klebsiella
pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa und Candida albicans
auf Edelstahl- und Glasoberflächen mittels dieser neu entwickelten
PCR-Reaktion möglich ist. Benötigt wird dafür neben geeigneten
Primern („Oligonukleotid-Startermolekülen“ für die PCR-Reaktion)
das in Maribor für diesen Zweck etablierte PCR-Programm.
Diese neue Methode erlaubt eine gleichzeitige Detektion aller eingesetzten
Mikroorganismen innerhalb von wenigen Stunden ab
einer minimalen Zahl von 30 Zellen auf der Beprobungsfläche (176
cm 2 ).
Für die Evaluation des Hygienezustands in kritischen Bereichen
müssen Mikroorgansimen nicht nur identifiziert, sondern auch
quantifiziert werden. Dabei ist nicht nur die Gesamtkeimzahl, sondern
auch der Vitalitätszustand der Zellen (lebend/tot) - und somit
ihre Fähigkeit sich zu vermehren - von essentieller Bedeutung.
Eine schnelle Quantifizierung von lebenden und toten Mikroorganismen
ermöglicht ein am wfk-Institut entwickeltes Verfahren auf
Basis einer durchflusszytometrischen Analyse. Mit dieser Methode
lässt sich der Hygienestatus unmittelbar nach Reinigung und
Desinfektion in nur wenigen Schritten kontrollieren: Die zu untersuchende
Oberfläche wird zunächst mit einer mit Puffer angefeuch-
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Fast methods for cleaning
service enterprises to analyze
cleanliness and hygiene in
clean rooms
Clean rooms are closed system rooms with a minimized content
of air borne particles according to the respective clean room class.
Clean rooms are typically used in special manufacturing processes,
e.g. in the production of sterile medical/pharmaceutical products
and foods, in the semiconductor industry and in hospitals.
These controlled areas are subject to strict cleanliness and hygiene
requirements. Thus, special methods are necessary for detection
and quantification of existing particles as well as chemical
or microbial contamination. In order to control the microbial burden
in clean rooms a number of classical microbiological methods including
cultivation and phenotypical analysis are commonly used
in practice today. However, currently available methods allow only
a low-throughput, necessitate the involvement of external laboratories
for the evaluation and are therefore time consuming and
expensive. Innovative molecular biological methods e.g. based on
real-time-PCR (polymerase chain reaction), are generally complex
in their application, evaluation and interpretation. Hence, the development
of fast and easy methods for the evaluation of cleanliness
and hygiene of cleaned and disinfected surfaces in clean
rooms is a matter of great concern.
Within a current research project the wfk- Institute develops such
methods in cooperation with the faculty of health science of the
University of Maribor in Slovenia.
At present the University of Maribor is working on a qualitative
analysis method for the identification of microorganisms and the
wfk Institute on a method for a fast quantification of microorganisms.
Scientists from the University of Maribor succeeded in the development
of an efficient molecular biological method for the identification
of microorganisms based on a PCR-technique. The latest
results confirm the possibility of a parallel identification of up to
seven relevant germs, i.e. Enterococcus faecium, Staphylococcus
aureus, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae,
Pseudomonas aeruginosa and Candida albicans on stainless
steel and glass surfaces using the developed PCR-reaction. For
this purpose suitable primers (“oligonucleotide starter molecules”
for the PCR-reaction) are required in combination with a special
PCR-program developed by University of Maribor.
This new method enables a parallel detection of all deployed microorganisms
within a few hours with a minimum amount of 30
microbial cells on the sampling surface (176 cm 2 ) reliably detectable.
For the evaluation of the hygiene status in critical areas microorganisms
must be identified as well as quantified. Thus it is crucial
to determine not only the cell counts but also the vitality of the cells
(live/dead) and therefore their ability to multiply. A new procedure
developed at the wfk Institute offers the opportunity for a fast and
easy quantification of live and dead microorganisms based on a
flow cytometric analysis. Using this method the hygiene status
can be controlled in only a few steps directly after cleaning and
disinfection: the surface of interest is sampled with a clean room
suitable matrix moistened with buffer to absorb the existing microorganisms.
Subsequently an elution of germs (“stomaching”) is
performed to recover cells from the wipe. The cells are stained with

PROJEKTE
PROJECTS
two differentiating fluorescent dyes to allow the discrimination between
living and dead cells. The quantification is performed by a
flow cytometer detecting every fluorescent cell and the respective
colour.
To develop a sampling method (Figure 1) applicable in clean rooms
six different sampling matrices (polyester, polypropylene and different
polyester/cellulose mixtures) suitable for clean rooms were
tested according to their uptake and release capacity of indicator
microorganisms, namely Staphylococcus aureus, Pseudomonas
aeruginosa and Candida albicans.
These experiments clearly show that the adsorbance and release
of germs is not only specific to the sampling material but also to
the tested microorganisms. Best results were obtained with a matrix
based on a clean room wipe made of polyester/cellulose. The
observed recovery rates for this wipe were between 60 and 90 %
dependent to the respective microorganism whereas the recovery
rates using other materials were only between 16 and 65 %.
Abbildung 1: Beprobung der Oberfläche und Aufnahme von
Mikroorganismen.
Figure 1: Surface sampling and uptake of microorganisms
teten, reinraumgeeigneten Probenahmematrix beprobt und so die
vorhandenen Mikroorganismen aufgenommen. Eine anschließende
Elution der Keime aus der Matrix durch Auswalken sowie
ihre Färbung mit zwei differenzierenden Fluoreszenzfarbstoffen
erlauben die Unterscheidung von lebenden und toten Zellen. Die
Quantifizierung erfolgt mittels eines Durchflusszytometers, das
jede fluoreszierende Zelle detektiert.
Zur Entwicklung einer reinraumgeeigneten Beprobungsmethode
(Abbildung 1) wurden im Rahmen des Projektes sechs verschiedene
reinraumgeeignete Probenahmematrices (Polyester, Polypropylen
und Polyester/Cellulose Gemische) auf ihre Effizienz bezüglich
der Aufnahme und Abgabe von relevanten Mikroorganismen
wie Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa und Candida
albicans getestet.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Aufnahme und Abgabe
von getesteten Keimen nicht nur materialspezifisch, sondern
auch keimspezifisch erfolgt. Beste Ergebnisse konnten mit einer
Matrix auf der Basis eines Reinraum-Wischtuchs aus Polyester/
Cellulose erzielt werden. Abhängig vom Mikroorganismus betrug
die Wiederfindungsrate 60-90 %, während die Wiederfindungsraten
bei dem Einsatz anderer Materialien nur bei 16-65 % lagen.
Während des Projektes wurde für die Durchflusszytometrie eine
15 minütige „one-step“-Färbung entwickelt, die eine schnelle und
einfache Quantifizierung von lebenden und toten Zellen ermöglicht.
Diese Differentialfärbung erfolgt auf der Grundlage unterschiedlichen
Penetrationsverhaltens der verwendeten Farbstoffe
über die Zellmembran der Mikroorganismen.
Tote Zellen weisen eine desintegrierte, durchlässige Membran auf
und werden durch ein rot-fluoreszierendes Chromophor gefärbt.
Lebende Zellen mit intakter Membran können durch diesen Farbstoff
nicht markiert werden, sondern werden mit einem Membranpenetrierenden
Farbstoff (grün fluoreszierendes Chromophor)
gegengefärbt. Mit Hilfe einer zum Durchflusszytometer gehörigen
Software werden die farbigen Signale gezählt und die Anzahl der
in der Probe vorhandenen Mikroorganismen angegeben (Abbildung
2).
In kontrollierten Bereichen werden Oberflächen regelmäßigt gereinigt
und desinfiziert. Dabei können auf den behandelten Flächen
Rückstände von chemischen Substanzen (Detergenzien und
Within the project a 15 minutes “one-step” staining procedure was
developed for the flow cytometry allowing a fast and easy quantification
of live and dead cells. This differential staining method is
based on different characteristics that the stains exhibit in terms
of penetration of microbial cell membranes. Dead cells possess
disintegrated, permeable membranes and can be stained by a
red-fluorescent chromophore. Live cells with intact membranes
cannot be marked with this dye but are counterstained with a
membrane penetrating green fluorescent chromophore instead
(Figure 2). Using the software provided with the flow cytometer
color signals are counted and the number of microorganisms in
the sample is quantified.
Rote Fluoreszenz/
Red fluorescence
1000
Abgetötete Zellen/
Dead cells
100
FL3 -
10
1
0.1
0.1 1 10 100 1000
FL1 -
Grüne Fluoreszenz/
Green fluorescence
Lebende Zellen/
Living cells
Abbildung 2: Lebend/Tot-Färbung von Candida albicans. Die
Zellen wurden für 15 Minuten mit den Fluoreszenzfarbstoffen
angefärbt und anschließend mittels
Durchflusszytometrie analysiert. Jede angefärbte
mikrobielle Zelle repräsentiert ein „Zählergebnis“
und wird durch einen blauen Punkt dargestellt.
Mehrfachzählungen werden in Abhängigkeit von
der Anzahl auch als farbige oder schwarze Punkte
angegeben.
Figure 2: Live/Dead-stained cells of Candida albicans. Cells
were incubated for 15 min with the fluorescent dyes
and analyzed by flow cytometry. Each stained
microbial cell represents a “counting result” and is
marked by a blue dot. Depending on the number
of counts multiple entries are shown as colored or
black dots.
7

PROJEKTE
PROJECTS
Desinfektionsmitteln) verbleiben. Es wurde deshalb untersucht,
ob solche Rückstände einen Einfluss auf die Färbung oder Quantifizierung
von Mikroorganismen haben. Suspensionsversuche
mit ausgewählten Detergenzien und Desinfektionsmitteln haben
gezeigt, dass diese weder die Färbereaktion noch die durchflusszytometrische
Analyse beeinträchtigen.
In weiteren Versuchen wurden ausgewählte relevante Oberflächen
wie Edelstahl, Kunststoff und Glas getestet. Das neu entwickelte
Verfahren ermöglicht die Quantifizierung von Mikroorganismen
auf unterschiedlichen Oberflächen mit hoher Effizienz. Die
Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen durchflusszytometrisch
und konventionell ermittelter Anzahl lebender
Zellen. Im Gegensatz zu klassisch mikrobiologischen Methoden
erlaubt die neue Schnelltestmethode zusätzlich eine einfache
Quantifizierung nicht mehr teilungsfähiger Zellen. Beispielhaft
zeigt Abbildung 3 die Ergebnisse einer Untersuchungsserie mit C.
albicans.
Mit den im Rahmen des Projekts entwickelten Verfahren ist es
prinzipiell möglich, unkompliziert, schnell und kostengünstig eine
Bewertung der Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahmen in
Reinräumen durchzuführen und die Ergebnisse einfach zu dokumentieren.
Die Methoden stellen für Reinraumbetreiber und insbesondere
für externe Dienstleistungsunternehmen, die mit der
Reinigung von Reinräumen betraut sind, ein wertvolles Mittel zur
innerbetrieblichen Eigenkontrolle und Qualitätssicherung dar.
In controlled environments the surfaces are regularly cleaned and
disinfected. Thus it is possible that residues of chemical substances
(detergents or disinfectants) remain on the treated surfaces. It
was therefore investigated if these residues can affect the staining
or the quantification of microorganisms. Suspension tests with a
set of chosen detergents and disinfectants show that neither the
staining reaction nor the flow cytometric analysis is affected by
these substances.
In further experiments selected relevant surfaces like stainless
steel, plastic or glass were tested. The developed method allows
the quantification of microorganisms on different surfaces with a
high efficiency. The obtained results show a good agreement between
viable cell counts determined by flow cytometry and conventional
methods (plating and counting). In contrast to classical
microbiological methods the new quick test gives a simple quantification
of dead cells, too. Figure 3 shows exemplary results of the
test series with C. albicans.
Both methods established within this project facilitate a simple,
fast and cost-effective evaluation of cleaning and disinfection
measures in clean rooms for the first time and simultaneously
provide an easy way for documentation of results. The developed
methods offer valuable, beneficial means for an in house
self-monitoring and quality assurance for clean room operators
and especially for cleaning service enterprises responsible for the
cleaning of clean rooms.
koloniebildende Einheiten [KBE/ml]
colony forming units [cfu/ml]
10.000.000
1.000.000
100.000
10.000
1.000
100
10
1
Edelstahl
stainless steel
Kunststoff
plastic
Ausplattierung Schnellmethode Ausplattierung Schnellmethode Ausplattierung Schnellmethode
plating quick test plating quick test plating quick test
C. albicans
Glas
glass
tot/dead
lebend/live
Abbildung 3: Detektion von C. albicans auf verschiedenen Oberflächen. Die Mikroorganismen wurden auf den zu testenden
Oberflächen homeogen verteilt und mit einem Reinraum-Wischtuch aus Polyester/Cellulose aufgenommen. Durch
Auswalken („stomaching“) wurden die aufgenommenen Zellen eluiert und anschließend mit den Fluoreszenzfarbstoffen
gefärbt. Die Quantifizierung von lebenden und toten Zellen erfolgte mittels eines Durchflusszytometers. Parallel erfolgte
die Bestimmung der Lebendkeimzahl mittels klassischer Ausplattierung.
Figure 3: Detection of C. albicans cells on different surfaces. Microorganisms were homogeneously spread on the tested surfaces
and sampled with a clean room suitable polyester/cellulose matrix. The absorbed cells were eluted by stomaching
and subsequently stained with the fluorescent dyes. Quantification of living and dead cells was performed by a flow
cytometer. In parallel cells were plated and viable cell counts were compared to the flow cytometric results.
Das CORNET-Projekt 60 EN der Forschungsvereinigung Europäische
Forschungsgemeinschaft Reinigungs- und Hygienetechnologie
e.V., Campus Fichtenhain 11, 47807 Krefeld, wird über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages gefördert.
The CORNET-project 60 EN of the research association
Europäische Forschungsgemeinschaft Reinigungs- und
Hygienetechno logie e.V., Campus Fichtenhain 11, 47807 Krefeld,
is supported via the AiF within the funding program „Industrielle
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)“ by the Federal
Ministry of Economic Affairs and Technology (BMWi) due to a
decision of the German Parliament.
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PROJEKTE
PROJECTS
Neue bioresorbierbare Implantatmaterialien
und Sterilisationsverfahren
Zur Therapie von großräumigen Knochen- und Knorpeldefekten
besteht ein wachsender Bedarf an biomimetischen und resorbierbaren
Implantatmaterialien. Solche Materialien sollen zur Substitution
von bislang verwendetem humanem Spenderknochengewebe
eingesetzt werden. Die Vorteile synthetischer Implantate liegen
in gezielt einstellbaren und konstanten Materialeigenschaften,
darüber hinaus wird das Risiko von Abstoßungsreaktionen und
Infektionen reduziert.
Das wfk-Institut bearbeitet zusammen mit dem Zentrum für Translationale
Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung der TU
Dresden ein IGF-Forschungsprojekt zur Entwicklung neuartiger
bioresorbierbarer Implantatmaterialien in Kombination mit einem
geeigneten Niedertemperatur-Sterilisationsverfahren unter Verwendung
von überkritischem CO 2
(SCCO 2
).
Menschliche Knochenzellen besiedeln vorzugsweise Biomaterialien
(„Scaffolds“) mit bestimmter chemischer Zusammensetzung
und besonderer geometrischer Struktur. Am vielversprechendsten
sind derzeit Scaffolds aus mineralisiertem Kollagen sowie Alginat-
Hydrogele.
Diese Implantatmaterialien bestehen zu großen Anteilen aus Protein-
oder Polysaccharid-Molekülketten und erweisen sich als äußerst
empfindlich gegenüber Temperaturen oberhalb von 50 °C,
insbesondere in Gegenwart von Wasser. Auch andere Einflüsse
wie z. B. radioaktive Bestrahlung und reaktive Chemikalien, wie
sie bei konventionellen Niedertemperatur-Sterilisationsverfahren
eingesetzt werden, führen bei diesen Biomaterialien zur Degeneration.
Aufgrund der Empfindlichkeit der Implantatmaterialien ist gegenwärtig
kein geeignetes Verfahren zur materialschonenden, zuverlässigen
und ökonomischen Sterilisation verfügbar.
Das Atmosphärengas Kohlenstoffdioxid (CO 2
) weist im hochkomprimierten
Zustand antimikrobielle Eigenschaften auf und stellt
einen geeigneten Lösungsansatz zur Sterilisation von empfindlichen
Implantatmaterialien dar. Für die Entwicklung des neuartigen
Sterilisationsverfahrens wurden spezielle Prüfkörper entwickelt
(Abb. 1). Diese dienten als Surrogatmodelle und simulierten charakteristische
Eigenschaften der Implantatmaterialien.
New bioresorbable implant
materials and sterilization
processes
There is a growing need for biomimetic and resorbable implant
materials for the treatment of large-scale bone and cartilage
defects. Such materials are intended to be used for the substitution
of human bone donor material.
The advantages of synthetic implants are specifically adjustable
and constant material properties. In addition, the risk of
tissue rejection episodes and infections is reduced.
The wfk-Institute together with the Center for Translational
Bone, Joint and Soft Tissue Research at TU Dresden are conducting
a cooperative IGF research project for the development
of novel bioresorbable implant materials in combination with
a suitable low-temperature sterilization procedure using supercritical
CO 2
(SCCO 2
).
Human bone cells colonize preferably biomaterials (“scaffolds”)
with certain chemical compositions and special geometric
structures. The most promising materials are currently
scaffolds of mineralized collagen and alginate hydrogels.
They consist to large proportions of protein or polysaccharide
molecules and are highly sensitive to temperatures above
50 °C, especially in the presence of water. Other factors such
as radioactive radiation and reactive chemicals that are used
in conventional low-temperature sterilization processes result
also in degeneration of those biomaterials.
Due to the aforementioned sensitivity of the implant materials
there is no suitable method for gentle, reliable and economical
sterilization currently available.
The atmospheric gas carbon dioxide (CO 2
) exhibits antimicrobial
properties in the highly compressed state and is therefore a
suitable approach for the sterilization of sensitive implant materials.
For the development of a novel sterilization procedure on the
basis of CO 2
special process challenge devices were developed
(Fig. 1); they served as surrogate models and simulated
characteristic properties of the implant materials.
Abbildung 1: Prüfkörper für Implantatmaterialien: Edelstahlplättchen mit Prüforganismen aufgebracht in einer Alginat-Matrix (links),
Prüfkörper mit Einhüllung in Zellulose-Matrix (Mitte), Gel-Zylinder mit eingebetteten Sporen (rechts).
Figure 1: Process challenge devices (PCD) for implant materials: Stainless steel discs with test organisms applied in an alginate
matrix (left), PCD enveloped in a cellulose matrix (middle), PCD as gel cylinders with embedded test organisms (right).
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PROJEKTE
PROJECTS
Abbildung 2: Indikator zur Kontrolle des Phasenzustands. Bei Inkubation in flüssigem CO 2
(LCO 2
) verbleibt der Indikator weiß (links),
Inkubation in überkritischem CO 2
(SCCO 2
) führt zu einer Rotfärbung (rechts).
Figure 2: Indicator for checking the phase status of CO 2
. Incubation in liquid CO 2
(LCO 2
) results in a white color (left), whereas incubation
in supercritical CO 2
(SCCO 2
) leads to a red color (right).
Die Prüfkörper wurden zusammen mit zahlreichen unterschiedlichen
Prüforganismen (Bakterien, Pilze, Viren, Parasiten) eingesetzt.
Am widerstandsfähigsten zeigten sich in vergleichenden Untersuchungen,
ähnlich wie bei klassischen Sterilisationsverfahren, bakterielle
Endosporen.
Das neue Verfahren soll die Sterilisation von Implantaten in einer
Endpackung entsprechend den Anforderungen nach DIN EN
556-1 ermöglichen. Es wurden unterschiedliche Arten von Sterilgutbarrieresystemen
getestet. Eine Endpackung aus Tyvek/Folie
erwies sich als geeignet. Experimente zur antimikrobiellen Wirkung
zeigten für flüssiges CO 2
(LCO 2
) lediglich eine moderate Wirkung,
für überkritisches CO 2
(SCCO 2
) jeodch eine hohe Wirksamkeit. Zur
Kontrolle des Phasenzustands wurde ein spezieller Indikator für
SCCO 2
entwickelt (Abb. 2).
Zur weiteren Steigerung der antimikrobiellen Wirkung wurden geringe
Mengen (ca. 1 %) von Additiven zugesetzt. Es wurden 3 Verfahren
mit speziellen Additivkombinationen etabliert. Diese ergaben
gegenüber bakteriellen Endosporen Reduktionsraten von RF
> 6 innerhalb von 15 min (B. atrophaeus), sodass das von DIN EN
556-1 geforderte Sterilitätssicherheitsniveau (SAL 10-6) innerhalb
von 30-45 min erzielbar scheint. Die weiteren Entwicklungsarbeiten
werden die Charakterisierung des neuen Verfahrens in Anlehnung
an DIN EN ISO 14937 fokussieren.
Parallel wurde der Einfluss des neuen Verfahrens auf empfindliche
bioresorbierbare Implantatmaterialien durch die TU Dresden
untersucht. Im Ergebnis zeigte sich eine gute Materialverträglichkeit
gegenüber Alginat- und Kollagen-Materialien. Im Falle von
Methylzellulose stellte die SCCO 2
-Behandlung - im Gegensatz zur
Dampf- oder Gamma-Sterilisation - sogar die einzige Möglichkeit
zur schonenden Behandlung dar. Nur das mit SCCO 2
behandelte
Material ließ sich mit einem 3D-Plotter zu einem 3-dimensionalen
Implantatkörper verplotten.
Untersuchungen zur Besiedlungsfähigkeit der SCCO 2
-behandelten
Implantatstrukturen mit humanen mesenchymalen Stammzellen
ergaben eine verbesserte Proliferation (Vermehrung) und Differenzierung
der Zellen im Vergleich zu konventionell mit Dampf-,
Gamma- oder EO-Sterilisation behandelten Materialien.
The process challenge devices were used along with many
different test organisms (bacteria, fungi, viruses, parasites).
In comparative studies bacterial endospores turned out to be
most resistant, similar to established sterilization methods.
The new process aims the sterilization of implants in a sterile
barrier package according to the requirements of DIN EN 556-1.
Different kinds of sterile barrier systems were tested. A sterile
barrier of Tyvek/transparent film proved to be suitable.
Experiments on the antimicrobial activity showed that liquid
CO 2
(LCO 2
) exhibited only a moderate effect. Supercritical CO 2
(SCCO 2
), however, showed a high efficacy. In order to check
the phase status of the sterilizing agent, a special indicator for
SCCO 2
was developed (Fig. 2).
To increase the antimicrobial effect of SCCO 2
small amounts
(appr. 1 %) of additives were applied. Three different processes
employing special additive combinations were established.
All of them yielded reduction rates of RF > 6 within 15 min (B.
atrophaeus) so that the sterility assurance level (SAL 10-6) required
by DIN EN 556-1 seems to be feasible within 30-45 min.
Further research work will focus on the characterization of the
new procedure according to DIN EN ISO 14937.
In parallel, the influence of the new procedure on sensitive bioresorbable
implant materials was investigated by TU Dresden.
As a result, a good material compatibility with alginate and collagen
materials was demonstrated.
In the case of methyl cellulose the SCCO 2
treatment provided -
in contrast to steam or gamma sterilization - even the only way
for a gentle treatment. Only methyl cellulose material treated
with SCCO 2
could be plotted with a 3D plotter to a 3-dimensional
implant body.
Studies on the colonization of SCCO 2
-treated implant materials
with human mesenchymal stem cells gave enhanced proliferation
and differentiation of the cells compared to conventional
steam-, gamma- or EO-sterilized materials.
Das IGF-Vorhaben 17455 BG der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft
für Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik
e.V. Dresden (fms), Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt
am Main, wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung
der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung
(IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
The IGF-project 17455 BG of the research association
Forschungsgesellschaft für Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik
e.V. Dresden (fms), Theodor-Heuss-Allee 25, 60486
Frankfurt am Main, is supported via the AiF within the funding
programme „Industrielle Gemeinschaftsforschung und -entwicklung
(IGF)“ by the Federal Ministry of Economic Affairs and
Technology (BMWi) due to a decision of the German Parliament.
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TERMINE
DATES
Seminare und Workshops
21.05.2014 Seminar „Reinraum“
26.06.2014 Seminar „Fachberater/in für Textilhygiene“
17.-19.09.2014 Workshop „RABC/Hygiene“
17.-21.11.2014 Grundkurs „Wäscherei“
19.-21.05.2015 47. International Detergency Conference
Seminars and workshops
21.05.2014 Seminar "Cleanroom"
26.06.2014 Seminar "Consultant for textile hygiene"
17.-19.09.2014 Workshop "RABC/Hygiene"
17.-21.11.2014 Basic course "Laundry"
19.-21.05.2015 47 th International Detergency Conference
Sitzungstermine der Projektbegleitenden
Ausschüsse
22.01.2014 Erneuerbare Nano@Micro-Systeme - IGF 17540 N
11.02.2014 Thermolabile Tenside - IGF 17499 N
14.02.2014 Mikrobiell funktionalisierte PSA-Hydrogele - IGF 16677 N
03.04.2014 Soil-Release Businesskleidung - IGF 16991 N
03.04.2014 Thermolabile Tenside - IGF 17499 N
09.05.2014 Interpenetrierende Polymernetzwerke - 16887 N
13.05.2014 Radiale Stoßwellen - IGF 17887 N
Dates of project advisory
board meetings
22.01.2014 Renewable Nano@Micro-systems - IGF 17540 N
11.02.2014 Thermolabile surfactants - IGF 17499 N
14.02.2014 Microbially functionalized PSA-Hydrogels - 16677 N
03.04.2014 Soil-release business wear - IGF 16991 N
03.04.2014 Thermolabile surfactants - IGF 17499 N
09.05.2014 Interpenetrating polymer networks - IGF 16887 N
13.05.2014 Radial shockwaves - IGF 17887 N
* Termine ohne Ortsangabe finden in Krefeld statt.
* Dates without location take place in Krefeld.
IMPRESSUM
IMPRINT
Herausgeber / Publisher:
wfk - Cleaning Technology Institute e.V.
Dr. Jürgen Bohnen
Campus Fichtenhain 11
47807 Krefeld, Germany
Tel.: +49-2151-82100, Fax: +49-2151-8210199
info@wfk.de, www.wfk.de
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Industriekooperationen
Das wfk - Cleaning Technology Institute arbeitet mit zahlreichen Unternehmen, sowohl im Rahmen öffentlich
geförderter Forschungsvorhaben als auch im Rahmen der Auftragsforschung und weiterer Projekte, zusammen.
Cooperation with industry
The wfk - Cleaning Technology Institute cooperates with many enterprises within publically funded research
as well as in contract research and further projects.
Dr. Amerigo Pastura
Pellerin Milnor
Corporation
Nordisk-
Detergent
Klarner-Textilservice
Sasol
Germany
CWS-boco
HealthCare
van Baerle & Co.
Chemische Fabrik
Tecnoclean de
Colombia
Troost
rofa Bekleidungswerk
www.wfk.de/institut/industriekooperationen