Desinfectie van proceswater - De fijne balans tussen corrosie en effectiviteit

Desinfectie van proceswater

De fijne balans tussen corrosie en effectiviteit - Door moleculair microbioloog Reinoud Homan, MSc

Op ruimtemissies wordt er intensief gezocht naar water als indicatie voor buitenaards leven. Dat is geen toeval: voor zover we weten is water een basisvereiste voor organische activiteit. De laatste jaren is er al veelvuldig water aangetroffen buiten onze planeet, maar tot nog toe zijn er geen harde bewijzen voor het bestaan van (micro-)organismen in de kosmos. Persoonlijk denk ik dat het een kwestie van tijd is voor we deze zullen aantreffen, want elke QA-manager zal mijn stelling onderschrijven: waar water is, zijn bacteriën.


Biofilm in proceswater

Ook in de metaalsector wordt water veelvuldig gebruikt, maar hier wordt er juist hard gezocht naar bewijs tegen het bestaan van micro-organismen in het water. Niet alleen is kiemdruk in het water een oorzaak van kwaliteitsverlies en ongewenste residuen in producten, maar tast het ook de materialen en leidingen zelf aan door middel van Microbiologically Induced Corrosion, ofwel MIC. Deze corrosie is niet behouden tot metalen, maar kan ook onder meer beton en glas aantasten.



Biofilmformatie in waterleidingen (bron: University of Arkansas)


MIC ontstaat doordat micro-organismen biofilm vormen op oppervlaktes en vervolgens stoffen uitscheiden die corrosief werken. Biofilm is een hardnekkige, slijmerige laag van micro-organismen. Door middel van biofilmvorming kunnen de micro-organismen zich aanpassen aan de omgeving en zo samen overleven wanneer dat alleen niet lukt. Zo zijn bacteriën in een biofilm weerbaarder tegen antibiotica en desinfectiemiddelen dan in een losse (planktonische) staat.


De ontwikkeling van biofilm

In waterleidingen ontstaat biofilm doordat losse (zogeheten planktonische) micro-organismen zich hechten aan een de wand van de leiding. Met behulp van speciale moleculen, genaamd extracellular polymeric substances (EPS), leggen de losse cellen contact met elkaar en worden er verschillende lagen in de biofilm gevormd. Zo kan de biofilm meer weerstand bieden aan bijvoorbeeld de stroming van het water. Door middel van onderling contact ontwikkelen micro-organismen zich verschillend van elkaar. Hierdoor ontstaat een ingewikkelde structuur waarbij cellen zich gaan specialiseren en dus organismen van dezelfde soort een andere taak uitoefenen. Het is een op zichzelf staand ecosysteem, inclusief specialismen als voedselverwerving en afweer. De buitenste laag van een biofilm wordt voornamelijk gebruikt voor uitbreiding: micro-organismen laten los en worden weer als planktonische cellen meegevoerd door het water. Zo koloniseert de biofilm op nieuwe plekken in de leiding.



De formatie van biofilm is onder te brengen in vier stappen: aanhechting, EPS-productie, biofilm ontwikkeling en nieuwe kolonisatie.

Het effectief verwijderen en voorkomen van biofilm is daarmee cruciaal voor een structurele verbetering van de kwaliteit van het proceswater en de bijbehorende materialen.


Biofilm verwijderen

De samenwerking en specialisatie van een biofilm maakt het extra goed bestand tegen onder meer antibiotica, temperatuur, druk en zure of basische omgevingen. Hierdoor is een biofilm ontzettend lastig om goed te bestrijden. Het is niet alleen belangrijk dat de biofilm wordt afgebroken, maar ook dat de bacteriën continu volledig worden afgedood, zodat ze zich niet opnieuw kunnen hechten aan de leidingen om een nieuwe biofilm te vormen. Het juiste gebruik van desinfectiemiddelen is echter geen sinecure: niet alleen zijn er risico’s met betrekking tot de arbeidsveiligheid, maar de veel gebruikte chemicaliën kunnen ook de kwaliteit van het water en het eindproduct negatief beïnvloeden door het ontstaan van chemische residuen. De dosering van een effectief middel komt daarom erg nauw: onderdosering creëert schijnveiligheid en resistentie onder micro-organismen, terwijl overdosering door de corroderende eigenschappen van desinfectiemiddelen zelf schade aan de materialen veroorzaakt.


Het oxidatie-reductiepotentiaal

Voor een juiste toepassing van desinfectie is het onvermijdelijk om er scheikunde bij te halen. Om goed te begrijpen hoe biofilm verwijderd (én voorkomen) kan worden, zonder dat de remedie erger is dan de kwaal, dient er ingezoomd te worden op de eigenschappen van desinfectiemiddelen. Eén van de belangrijkste begrippen hierbij is het de reductie-oxidatie reactie, afgekort tot redox en aangegeven door de grootheid ORP (in mV). Kort door de bocht toont dit aan hoe krachtig een middel is om een zuurstofatoom te verwijderen en/of elektronen te verkrijgen (reductie) of zuurstofatoom toe te voegen en/of elektronen te verliezen (oxidatie).




Corrosie

Waarom is dit van belang? Corrosie is het gevolg van redox-reacties, met als simpel voorbeeld koper dat oxideert door zuurstof wanneer het te lang in de buitenlucht staat. Door corrosie veranderen materialen dus van samenstelling met als gevolg dat het eigenschappen als weerbaarheid verliest en dus bijvoorbeeld gaat afbrokkelen. Wat betreft corrosie zou een desinfectiemiddel met een zo laag mogelijk ORP dus de voorkeur hebben.


Desinfectie

Er zijn verschillende methodes waarmee micro-organismen kunnen worden geëlimineerd, maar met name bij het gebruik van desinfectiemiddelen spelen redox-reacties een grote rol. Wat hebben gangbare middelen als waterstofperoxide (H2O2), chloordioxide (ClO2), natriumhypochloriet (NaClO; ook bekend als bleek) en perazijnzuur (C2H4O3) namelijk gemeen? Een reactief zuurstofcomponent. De werkzaamheid van deze middelen berust dan ook op het oxideren van de buitenste laag van een micro-organisme. Ofwel: hoe hoger het redox-potentiaal van een desinfectiemiddel, hoe krachtiger het desinfectiemiddel. Wat betreft desinfectie zou een desinfectiemiddel met een zo hoog mogelijk ORP dus de voorkeur hebben.

Zie hier: een dilemma.


Effectieve desinfectie

De oplossing voor dit ogenschijnlijk onmogelijke dilemma schuilt in de dosering die benodigd is om biofilm te verwijderen en te voorkomen. Indien er van een effectief desinfectiemiddel namelijk slechts zeer weinig nodig, zal de corrosie langzamer plaatsvinden. MIC wordt zo volledig voorkomen en de schade van chemische corrosie zoveel mogelijk beperkt. Het is helaas onmogelijk om corrosie helemaal uit te bannen, doordat kleine beetjes corrosie na verloop van tijd alsnog significant effect zullen hebben.


Diversiteit van de natuur

Om het ideale desinfectiemiddel te vinden dient er verder gekeken te worden dan de ORP. Micro-organismen zijn ontzettend divers en verschillen daardoor in gevoeligheid voor bepaalde middelen. Zo is bijvoorbeeld chloor een effectief middel tegen bacteriën, maar zijn schimmels er uitermate goed bestand tegen: zie ook dit onderzoek van de Wageningen University of Research naar schimmels in Nederlandse zwembaden: link.


De grondslag hiervoor ligt in de anatomie van de verschillende soorten micro-organismen. Micro-organismen worden ontsloten door een celmembraan en een celwand. Het celmembraan is een laag vetten die ervoor zorgt dat de inhoud van de cel binnen blijft en de celwand kent als functie structuur en bescherming. Bij vrijwel alle levende wezens op aarde -van mens tot bacterie tot bananenplant - is de opbouw van het celmembraan hetzelfde: een dubbele laag fosfolipiden. De celwand, daarentegen, kan enorm verschillen van het ene organismen tot het andere.




De stadsmuur

Aangezien de celwand de buitenste laag van veel micro-organismen is, wordt het veelal vergeleken met een stadsmuur. Er zitten poorten in die toegang kunnen verschaffen, maar over het algemeen genomen is het een barrière die ongewenste zaken buiten houdt. En net zoals bij een stadsmuur is het materiaal waarmee de celwand is opgebouwd bepalend voor de mate van bescherming tegen bepaalde aanvallen. Een stadsmuur van hout is erg gevoelig voor vuur, maar tegen één van steen moet je aardig wat fakkels gebruiken om hem om te krijgen. Bij micro-organismen werkt het net zo: door de samenstelling van de celwand is een schimmel beter bestand tegen chloor dan bacteriën. En ook binnen de domeinen schimmel en bacterie zijn er veel verschillen van soort tot soort. Aangezien biofilm een divers ecosysteem van verscheidene soorten micro-organismen is, maakt dat het beter bestand tegen desinfectiemiddelen dan de planktonische cellen an sich. Niet alleen is er een stadsmuur van hout, maar ook van steen, prikkeldraad en zandzakken; het geheel is meer dan de som der delen.
 

Effectiviteit

Om al deze barrières te doorbreken zijn er feitelijk twee oplossingen. Er kan hoger gedoseerd worden met een middel (immers, heel veel vuur krijgt steen ook klein) óf meerdere werkzame stoffen kunnen worden gebruikt om alle soorten micro-organismen te bestrijden. Zoals uitgelegd heeft het hoger doseren van middelen niet de voorkeur, vanwege de verhoogde chemische corrosie die zich meebrengt. Voor proceswater is het ideale desinfectiemiddel één met verscheidene werkzame stoffen. Het probleem is, waar vind je die?


Hoe ziet het met sterilisatie?

Alhoewel sterilisatiemethoden, zoals UV-licht of verhitting, uitstekende methodes zijn om micro-organismen te doden zonder chemische residuen, zijn ze ongeschikt voor desinfectie van waterleidingen. Dit komt doordat deze methodes slechts lokaal effectief zijn en dus niet verhinderen dat verontreinigen in de leidingen zelf tot biofilm uitgroeien. Voor een effectieve desinfectie van proceswater is het belangrijk dat een middel in het volledige systeem werkzaam is en niet op één plek in het systeem.


In situ desinfectie

Slecht nieuws: chemicaliën mixen is levensgevaarlijk. Goed nieuws: een breed spectrum desinfectiemiddel produceren kan alsnog in-house. De toekomst van desinfectie is namelijk in situ. Afgezien van de gevaarlijke bijproducten (lees: dodelijke gassen) die het mengen van verschillende desinfectiemiddelen oplevert zal ook de stabiliteit enorm kelderen. Wanneer verscheidene moleculen met een hoog ORP met elkaar in aanraking komen zullen ze namelijk voornamelijk met elkaar reageren. In de tijd dat een jerrycan wordt gevuld en op locatie aankomt zal een desinfectans zijn werking grotendeels hebben verloren.

DIY-desinfectie

Dit kan echter eenvoudig omzeild worden door een desinfectiemiddel ter plekke te produceren en te gebruiken. Dat lijkt futuristisch, maar in de afgelopen tien jaar heeft de in situ desinfectietechnologie een enorme opmars gemaakt. Hierbij wordt door middel van een apparaat ter plekke (in het latijn in situ) water en zout omgezet naar een breed spectrum desinfectiemiddel, dat electrolysed oxidising water (EOW) wordt genoemd en direct meegegeven kan worden in het watersysteem van een bedrijf.



De in-situ technologie produceert een desinfectiemiddel dat bestaat uit meer dan 20 werkzame stoffen, waarvan de voornaamste HOCl is, ook bekend onder de namen hypochloorzuur of onderchlorig zuur. Ondanks het achtervoegsel zuur is het een erg vriendelijk middel. Dit molecuul wordt bijvoorbeeld ook geproduceerd door de afweercellen van zoogdieren om micro-organismen uit te schakelen. Aangevuld door de diverse andere werkzame stoffen (waaronder zuurstofradicalen) is de werkzaamheid van in situ geproduceerde desinfectiemiddelen enorm hoog. Daardoor kan er continu biofilm bestreden en voorkomen worden met zeer lage concentraties desinfectiemiddel, circa 3-6 ppm. Dat alles culmineert in effectieve desinfectie, zonder de gevreesde corrosie.

Win-win-win situatie

Door deze eigenschappen is in situ technologie bezig aan een enorme opmars in met name waterdesinfectie. Naast de genoemde voordelen met betrekking tot effectiviteit en gebrek aan corrosiviteit is het ook financieel een erg aantrekkelijke optie. De operationele kosten zijn enorm laag; leidingwater en zout zijn erg eenvoudig verkrijgbaar. De in-house productie maakt een leverancier overbodig, evenals indirecte kosten hiervan als transport, opslag, voorraadbeheer en verwerking van plastic en/of chemisch afval. Ten slotte wordt de technologie in Nederland al jaren ingezet in de agrarische en voedselverwerkingsindustrie waardoor het uit de ontwikkelfase is. Bovendien leidt de samenstelling van een in situ geproduceerd desinfectiemiddel ertoe dat het relatief eenvoudig afbreekt in water. Hierdoor zijn er geen chemische residuen die terecht kunnen komen in het proceswater en kan het desinfectiemiddel zonder persoonlijke beschermingsmiddelen behandeld worden. Tezamen maakt het een win-win-win situatie wat betreft effectiviteit, winst en veiligheid.


De toekomst van desinfectie

Voor effectieve, veilige desinfectie ter bestrijding van de schadelijke effecten van micro-organismen in het proceswater, zoals MIC en gezondheidsrisico’s, dient elke productietechnoloog en QA-manager zich te verdiepen in de potentie van in-situ technologie op diens bedrijf. De eenvoudige vereisten in combinatie met de effectiviteit en veiligheid van het product maakt desinfectie mogelijk op plekken waar dat eerder niet kon. Daardoor is zeker niet ondenkbaar dat er ooit in situ apparaten mee de kosmos ingaan, om aldaar ongewenste micro-organismen te bestrijden. Wist u trouwens dat de in-situ technologie zelfs oorspronkelijk is ontwikkeld door de Sovjet ruimtevaart?

Voor meer informatie omtrent het systeem van Watter BV klikt u hier