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BRANCHEN REPORT | In situ-Elektrolyse ELEKTROCHEMISCHE AKTIVIERUNG (ECA) IN DER BRAUEREI Desinfektionsmittel durch Elektrolyse vor Ort erzeugen Das Verfahren der elektrochemische Aktivierung (ECA) gibt es bereits seit mehreren Jahr zehnten. Viel wurde geforscht und optimiert. In der Bachelorarbeit „Applikations bereiche eines mittels In situ-Elektrolyse hergestellten Desinfektionsmittels (NADES 2.0) in einer Brauerei“ ist dies zusammengefasst und ausgearbeitet worden. Von geplanten Praxis-Tests musste aufgrund der Corona-Situation abgesehen werden. In dieser Ausgabe der Getränke! Technologie & Marketing wird auf die Technik sowie das Produkt NADES 2.0 eingegangen. In der nächsten Ausgabe werden Applikationsbereiche vorgestellt. Von JONATHAN LEHNER, B. Eng. in Brau- und Getränketechnologie, Technischer Vertrieb, aquagroup AG B ei der ECA-Technik handelt es sich um Elektrolyse, die aus Wasser, Salz und Strom aktives Chlor (Na triumhypochlorit, Hypochlorige Säure) erzeugt. Sie stammt aus dem Jahr 1975 von Professor Vitold M. Bakhir, dem Pionier der Elektrolyse. Michael Farraday formulierte 1883 die Grundsätze, die den Durchgang elektrischen Stroms durch eine wässrige Salz lösung beschreiben (Farradaysche Gesetze), und prägte für dieses Phänomen den Begriff „Elektrolyse“. Verfahren der Elektrolyse Seitdem werden im Bereich der Elektrolyse verschiedene Verfahren angewendet. Die Membranzellenelektrolyse sowie die Einkammerelektrolyse sind gängige Methoden. In den Anfangszeiten der aquagroup AG wurde die Membranzellenelektrolyse verwendet. Hier entstand NA- DES, eine Natriumhypochloritlösung mit ca. 200 ppm FAC (free available chlorine). Nachteil dieses Verfahren sind die geringe Ausbeute an FAC sowie die Abb. 1 | Ungeteilte Zelle (einfache schematische Darstellung) H 2 O Wasser NaCl (Salz) NaOCl (Bleiche) H 2 (Wasserstoff) hohe Salzfracht von 0,015 mg/ ppm FAC und dadurch erhöhtes Korrosions risiko. (siehe Abb. 1) Bei beiden Techniken ist ein Vorteil, dass kein Gefahrstoff generiert wird, da die Konzentration unter 5 % Wirkstoff liegen. Bei der Herstellung wird hier auch kein Gefahrstoff benötigt. Natriumhypochlorit (NaOCl) Die Wirkungsweise von Natriumhypochlorit wurde unter anderem an der menschlichen Immunabwehr erforscht. Dort wird auf die infek tionsbekämpfende Funktion der Leukophilen Granulozyten (eine bestimmte Art der weißen Blutkörperchen) eingegangen. Diese verwenden das Enzym Myeloperoxidase (MPO), das gespeichertes H 2 O 2 mit Cl 2 zu Natriumhypochlorit umwandelt. Abb. 2 | Elektrolyse-Anlage Bei der Desinfektion wird genau auf diese Wirkungsweise und Erkenntnisse zurückgegriffen. Die Effekte von Natriumhypo chlorit auf Mikroorganismen lassen sich (je nach Konzen tration) in folgende Phasen einteilen: ▶▶Selektive Hemmung des Bak te rienwachstums und der Zell teilung (0,05 ppm) ▶▶Verminderung/Stoppen der DNA- und Proteinsynthese (> 0,1 ppm) ▶▶Kollabieren der Membran (> 5 ppm) Elektrolyseanlagen Die Anlagen sind in zwei grundlegende Teile unterteilt: einem Wasserkabinett und einer Steuerung für den automatisierten Betrieb der Anlage. (siehe Abb. 2) Im Wasserkabinett findet die Erzeugung von NADES 2.0 statt. Das Herzstück einer solchen Anlage ist die Elektrolysezelle. Sie ist speziell beschichtet, um eine optimale Reaktion zu gewährleisten. In die Zelle wird eine inline ausgemischte Solelösung eingeleitet, welche dann zu Natriumhypochlorit und Wasserstoff reagiert. Nach der Zelle fließt NADES 2.0 in einen Puffertank und der Wasserstoff entweicht über einen Wasserstoff-Abscheider an die Abluft. Werte für Natriumhypochlorid Vom Puffertank wird je nach Applikation, das Mittel mengenproportional oder über eine Mess- Regel-Einheit dosiert. Mess-Regel-Dosier-Einheit Ein Grundsatz bei der Verwendung mit Desinfektionsmitteln und Bio ziden ist: „Biozide sicher verwenden“. Bei diesem Grundsatz gilt das Minimierungsgebot. Deswegen sollte immer die richtige Art der Dosierung gewählt werden. Hierzu gibt es die mengen- beziehungsweise die volumengesteuerte Dosierung. In manchen Applikationen wie zum Beispiel bei der Rinserwasserbeaufschlagung und der Füllerbedüsung ist eine solche Dosierung der einzig effiziente Weg. Der Vorteil bei Natriumhypochlorit ist, dass es einfach messbar ist. Eine Messung kann über spezielle Chlorsonden oder über das Redoxpotential vollzogen werden. Diese Messungen sind für viele Brauereien ein wich tiger Faktor, da damit Prozesskontrolle und -sicherheit gegeben ist. Eine über Sonden geregelte Dosie rung gewährleistet, dass stets der korrekte Wert an Biozid im System vorhanden sowie eine Über- bzw. Unterdosierung ausgeschlossen ist. Stoffname: Maximale Zugabe: Konzentrationsbereich nach Abschluss der Aufbereitung: H 2 O Wasser NaCl (Salz) Foto und Grafik: aquagroup AG Natriumhypochlorit 1,2 mg/l freies Cl 2 min. 0,1 mg/l freies Cl 2 max. 0,3 mg/l freies Cl 2 18 | Getränke! 02 | 2021
Materialverträglichkeit Korrosion ist in der Brau- und Getränkebranche ein wichtiges Thema. Da jeder korrosionsbedingte Ausfall nicht nur Produktionszeit kostet, sondern auch mit Reparaturkosten verbunden ist, sollte dies unbedingt vermieden werden. Die Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) und die Versuchs- und Lehranstalt für Brauerei in Berlin (VLB Berlin) untersuchten als unabhängige Institute die Korrosionsneigung legierter Stähle beim Einsatz auf Chlor basierender und vor Ort erzeugter Desinfektionslösungen. Sie bestätigen die Ergebnisse der aquagroup AG. Folgende Voraussetzungen werden von der IGF und VLB Berlin betont. Bei einer intakten Werkstoffoberfläche und bei einem Chlorid-Gehalt von ≤ 100 mg/l in den Anwendungslösungen ist eine Gefährdung von Edelstahl 1.4301 sowie höher legier ten Materialien unwahrscheinlich. Dies gilt für eine Konzentra tion von c(FAC/ClO 2 ) ≤ 10 mg/l sowie eine Temperatur von ≤ 20 °C und eine Kontaktzeit von ≤ 20 Minuten. Da das Thema Korrosion sehr sensibel behandelt werden muss, wurden hier Lösungen gefunden. Um Korrosion vor allem bei Verdunstungskühlanagen, die nicht aus Edelstahl gebaut sind, zu vermeiden, wird ein Korrosionsinhibitor verwendet. Rechtliche Grundlagen zum Einsatz Der Einsatz in Trinkwasserbereichen ist – wie auch bei anderen Stoffen – geregelt. Hierbei schreibt die Trinkwasserverordnung (TVO) Werte für Natriumhypochlorit vor. (siehe Tabelle) Biofilmabbau Die Thematik von Keimnestern in Biofilmen ist jedem Brauer ein Dorn im Auge. Hierbei entsteht an Totpunkten und Rohrwandungen in Leitungen oder nicht zu erreichende Punkten an Anlagen ein Biofilm. Ein Biofilm bildet sich in drei Phasen. Die erste Phase ist die Induktionsphase, dort setzten sich Moleküle auf einer Oberfläche ab. Diese bilden eine raue Fläche, die ein Angriffspunkt für Mikro organismen ist. Auf diesen Stellen bilden sich dann Kolonien dieser Bakterien. In der Reifung des Biofilms können extrazelluläre polymere Substan zen (EPS) eine schützende Schicht bilden, die den Biofilm einhaust und sich dadurch viele Substanzen dort an- und einlagern können. Dies besteht aus: Polysacchariden, Proteinen, Nucleinsäuren und Lipiden. Durch die aerobe Population im Biofilm ist eine Verarmung des Sauerstoffs eine Folge, dadurch können sich auch anaerobe Organismen dort ansiedeln. Nach der Induktionsphase hat sich der Biofilm auf der Oberfläche festgesetzt. Neue Organismen können die ursprüng liche Fläche nicht mehr besiedeln, sie setzen sich an der Gel- Matrix fest. Nun beginnt die logarithmische Akkumulation-Phase. In dieser Phase festigt sich der Biofilm und baut seine Popu lation aus. Die höchstmög liche Nährstoffversorgung und die Temperatur des Biofilms sind die bestimmenden Faktoren in dieser Phase. In der letzten Phase, der Plateau-Phase, kann der Biofilm sich auflösen oder aufplatzen. Biofilm dient oft auch humanpathogenen Organismen, wie zum Beispiel Legionellen, als Habitat, deswegen gilt es, ihn zu vermeiden beziehungsweise zu beseitigen. NADES 2.0 baut Biofilm nachhaltig ab, vor allem Biofilm in Rohrleitungen bei einer Gesamtwasserbeaufschlagung. Hierbei wird TVO-konform das Wasser beaufschlagt. Durch die dauerhafte geringe Dosierung löst sich der Biofilm über einen kurzen Zeitraum restlos ab und kann sich dann nicht mehr bilden. Dies sind die grundlegenden Eckdaten zur ECA-Technologie. Im zweiten Teil dieses Artikels wird auf die Laboruntersuchungen des Forschungszentrums Weihenstephan sowie alle Applikationen, wie zum Beispiel automatische Füllerbedüsung, Gesamtwasserentkeimung oder Rinserwasser eingegangen. Mehr Informationen www.aquagroup.com Schützen Sie Ihre Lebensmittelproduktion nachhaltig Flowfresh, die antimikrobiellen Bodenbeläge BLEIBT FRESH Höchste Sicherheit • Verhindert zu 99,9% das Wachstum von Bakterien und Pilzen • Erfüllt alle Anforderungen an die Arbeitssicherheit Bemerkenswerte Wirtschaftlichkeit • Minimiert Produktionsausfälle durch kurze Installationszeiten • Wartungsfrei und reinigungsfreundlich, da fugenlos • Spart Sanierungskosten, weil nachhaltig und langlebig Jetzt informieren: www.flowcrete.com.de oder rufen Sie uns an: 0 42 43 - 92 95 3
