DE3741583A1 - Verfahren zur vernichtung von mikroben im betriebswasser von papierfabriken - Google Patents
Verfahren zur vernichtung von mikroben im betriebswasser von papierfabrikenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Vernichtung Präzipitate verursachenden,
schleimbildenden und/oder die Qualität von Lebensmittelpapier
bzw. -karton mindernden Mikroben im Fabrikationswasser
von Papierfabriken.
Die Fabrikationswässer der Papierindustrie bieten außerordentlich
günstige Bedingungen für das Wachstum von Bakterien und
Pilzen. Temperatur, pH-Wert und Nährstoffgehalt sind für mehrere
Mikroben oftmals fast optimal. Als Folge davon können in den
Papierfabriken zeitweise schleimbildende Betriebsstörungen auftreten,
verursacht von Anhäufungen bildenden Mikroben. Oft ist
damit eine starke Schleimbildung verbunden. Ein mikrobiologisches
Problem eigener Art bilden die im Papier bzw. Karton für Lebensmittelzwecke
verbleibenden Bakterien oder deren Sporen (z. B.
Bacillus).
Im Rahmen ausgedehnter Untersuchungen in verschiedenen Papierfabriken,
in denen Produktionsstörungen auftraten, konnte festgestellt
werden, daß die schlimmsten Störungsverursacher im Betriebswasser
die hyphenbildenden Mikroben sind. An den gebildeten
Hyphen setzen sich schleimbildende Bakterien sowie chemischer
Schleim an. Schädliche Mikroorganismen in diesem Sinne sind
hauptsächlich die Schimmel- und Hefepilze sowie die kettenbildenden
Bakterien wie die Bacillus-Spezies.
Schleimstörungen hat man traditionell durch Einsatz mikrobentötender
Chemikalien bekämpft. Früher benutzte man dazu Quecksilberverbindungen,
auf die man jedoch wegen ihrer Giftigkeit in
der zweiten Hälfte der 1960er Jahre, schon bevor ihr Einsatz
verboten wurde, verzichtete. Man ist weiterhin gezwungen, Biozide,
zu den Giften zweiter Klasse zu rechnende organische Verbindungen,
einzusetzen. Jede Schleimbekämpfungschemikalie hat
im Betriebswasser eine spezifische biologische Halbwertszeit,
die von einigen zehn Minuten bis zu mehreren Tagen reicht. Gewisse
Zerfallsprodukte können auch bakteriostatischer Natur sein.
Deshalb ist der Einsatz chemischer Bekämpfungsmittel auch in
ökologischer Hinsicht eine unvorteilhafte Angelegenheit.
Als neue Möglichkeit zur Bekämpfung von Mikroben im Betriebswasser
von Papierfabriken wurde nun ein natürliches mikrobiologisches
Schleimbekämpfungsmittel entwickelt, das auf der Nutzung
lytischer, die Mikrobenzellwände zerstörender Enzyme basiert.
Dabei ist also die Bekämpfung auf den primären Störungsgrund,
die Mikrobe gerichtet. Man hat jetzt lytische Enzyme gefunden,
welche namentlich die betreffenden Mikroben bekämpfen. Bei den
lytischen Enzymen handelt es sich um labile, im Betriebswasser
schnell zerfallende Verbindungen, die nur für die Mikroben,
ansonsten aber nicht gefährlich sind. Man hat also nun ein Mittel
gefunden, mit dem sich die gegenwärtigen chemischen Bekämpfungsstoffe
durch eine anwender- und umweltfreundliche Alternative
ersetzen lassen.
Die lytischen Enzyme sollen in erster Linie zu dem Zweck eingesetzt
werden, im Betriebswasser von Papierfabriken präzipitatsbildende
Bakterien aufzulösen und die Qualität von Lebensmittelpapier
bzw. -karton beeinträchtigende Bakterien abzutöten. Durch
Einsatz lytischer Enzyme lassen sich auch schleimbedingte Störungen
durch Spaltung der Wandstrukturen der Mikrobenzellen, so
daß die Anhäufungen aufgelöst werden, beseitigen.
Der Vorteil der Enzyme gegenüber Chemikalien liegt u. a. in ihrer
Ungiftigkeit für den Menschen und die Umwelt, in ihrer Spezifität
und in ihrem geringen Platzbedarf. Durch Aufkonzentrieren
des Enzympräparats erhält man wirksame Konzentrationen schon
mit einigen ppm Enzympräparat im Fabrikationswasser.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren, bei dem die Präzipitate
verursachenden und schleimbildenden und/oder die Qualität
von Lebensmittelpapier bzw. -karton mindernden Mikroben in den
Fabrikationswässern von Papierfabriken entweder a priori oder
nachträglich durch Zusatz lytischer Enzyme in diese Wässer vernichtet
werden.
Die lytischen Enzyme, die mit Hilfe von Mikroben erzeugt oder
aus Hühnerei-Eiweiß isoliert werden, wirken hauptsächlich auf
die 1,3-Bindungen im Glucan der Mikrobenzellwände, wobei die
Zellwand dem in der Zelle herrschenden Druck nicht mehr standzuhalten
vermag und reißt. Bisher kennt man den kommerziellen
Einsatz solcher Enzyme lediglich zum Freisetzen an der Zellwand
angelagerter Eiweißstoffe und in der Forschung zum Freisetzen
zellinterner Teile.
Bekannt ist bereits die Zersetzung von Polysaccharidschleim
mit herkömmlichen Enzymen in der Papierindustrie. Es gibt ein
Handelspräparat, Levanhydrolase (US 37 73 623, US 38 24 184,
SF 52 271), dessen Schwäche darin besteht, daß es nur auf Levanschleim
wirkt, den nur wenige in der Papierindustrie vorkommende
Bakterien erzeugen. In der Praxis ist es fast unmöglich, mit
diesem Enzym allein eine ausreichende Wirkung zu erzielen, und
es müssen weiterhin gleichzeitig giftige Mikroben, besonders
Pilze abtötende Biozide zugesetzt werden. Auch zwei andere herkömmliche
Enzyme zum Spalten von Schleimen in Fabrikationswässern
der Papierindustrie wurden patentiert: Pentosanase-Hexosanase
(US 40 55 467) und Dehydrogenase (US 43 70 199).
Der Einsatz herkömmlicher Enzyme zur Bekämpfung mikrobiologisch
bedingter Störungen in der Papierindustrie hat einige recht
erhebliche Schattenseiten. Erstens richtet sich die Bekämpfung
auf die sekundäre Erscheinung: den Schleim, der von Mikrobe
zu Mikrobe variiert. Da die Enzyme aber hochspezifischer Natur
sind, bleibt Schleim übrig, den das Enzym nicht abzubauen vermag.
Zweitens wird der Polysaccharidschleim in kleinere Komponenten
gespaltet, welche die Mikroben als Nahrung zu nutzen vermögen.
Es kann dann auch zu einer explosionsartigen Vermehrung
und Zusammenballung von gefährlichen Pilzen kommen, was wiederum
zu Betriebsstörungen führt.
Ins Betriebswasser der Papierfabrik werden an gewissen kritischen
Punkten z. B. lytische Enzyme in wäßriger Lösung, gestützt auf
Vorversuche im Labor z. B. jeweils zwei Stunden lang 10 ppm in
Abständen von vier Stunden zugesetzt. Ziel ist es, die Mikrobendichte
in bezug auf die störungsverursachenden Organismen unter
einer bestimmten kritischen, die Störungsschwelle darstellenden
Grenze zu halten.
Das lytische Enzympräparat kann gemäß gängiger Praxis in fester,
wassermischbarer oder flüssiger Form in Wasser formuliert
sein.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen im einzelnen
beschrieben.
Als Nährmedium diente Pilznährlösung (S-S-Nährlösung): 0,4%
Hefeextrakt, 1,0% Malzextrakt, 0,4% D-Glucan, pH 7,3. Das
Inokulum wurde durch Homogenisieren von auf Pilznähragar
(S-S-Agar) als Schrägröhrchenkultur gezüchtetem Aspergillus
niger in steriles Wasser hergestellt. Nach erfolgter Beimpfung
wurde der Pilz bei +30°C als Schüttelkultur kultiviert.
Von den lytischen Enzym Novozym 234 wurde eine einprozentige
Lösung hergestellt und durch Filtrieren in einem Bakterienfilter
(Porenweite 0,45 µm) sterilisiert.
Zum Testen der Hemmwirkung von Novozym 234 auf das Wachstum
von Aspergillus niger wurde dem Kulturmedium im Zusammenhang
mit der Beimpfung Enzym in folgenen Konzentrationen zugesetzt:
0 ppm (= Kontrolle), 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 75
ppm bzw. 100 ppm. Das Wachstum von Aspergillus niger wurde durch
Messen der Kulturmedium-Absorbanz bei 620 Nanometer mit einem
Spektralphotometer unmittelbar nach der Beimpfung sowie 1 Stunde,
2 Stunden, 3 Stunden, 4,5 Stunden, 6,5 Stunden und 9 Stunden
nach der Beimpfung verfolgt.
Das Wachstum von Aspergillus niger wurde spektrometrisch verfolgt
(Wellenlänge 620 nm). Die gemessenen Absorbanzwerte sind in
Tabelle 1 zusammengestellt. Bei Novozym-234-Konzentrationen
von 5 ppm ab aufwärts war eine deutliche Verlangsamung des Schimmelpilzwachstums
zu beobachten. Bei den verwendeten Konzentrationen
(100 ppm) wurde das Wachstum von Aspergillus niger
zwar nicht völlig gehemmt, jedoch erheblich gebremst (Bild 1).
Aspergillus niger ist ein typischer in der Papierindustrie allgemein
auftretender Schimmelpilz, dessen starke Hyphenbildung
die Bildung von Präzipitaten bewirkt. Der Organismus ist unter
sehr unterschiedlichen Bedingungen vegetationsfähig und deshalb
besonders schwierig unter Kontrolle zu halten. Aus Tabelle 1
und Bild 1 geht hervor, wie bereits 5 ppm lytisches Enzym Novozym
234 das Wachstum des Schimmelpilzes Aspergillus niger verlangsamen;
das Enzym könnte in der Papierfabrik periodisch mit einer
Dosierpumpe zugesetzt werden. Eine Enzymmenge von 75 ppm bewirkt
für fünf Stunden einen völligen Wachstumsstop. In dem Versuch
wurden zur Veranschaulichung der Ergebnisse Zusatznährstoffe
eingesetzt, so daß also in Wirklichkeit, d. h. unter echten
Papierfabrik-Betriebswasser-Verhältnissen noch geringere Enzymmengen
genügen würden.
Als Nährmedium diente Pilznährlösung (S-S-Nährlösung): 0,4%
Hefeextrakt, 1,0% Malzextrakt, 0,4% D-Glucose, pH 7,3. Aus
der Hefe 1696 wurde Inokulum durch Homogenisieren von auf Pilznähragar
(S-S-Agar) angesetzter Hefepilz-Schrägagarkultur in
steriles Wasser hergestellt. Die Hefe 1696 wurde bei +30°C als
Schüttelkultur kultiviert.
Aus lytischem Enzym Novozym 234 wurde eine einprozentige Lösung
hergestellt und in einem Bakterienfilter (Filterporenweite 0,45
µm) sterilisiert.
Im Wachstumshemmversuch wurde dem Kulturmedium im Zusammenhang
mit der Beimpfung mit Hefe 1696 das Enzym Novozym 234 in folgenden
Konzentrationen zugesetzt: 0 ppm (= Kontrolle), 1 ppm, 5
ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 75 ppm und 100 ppm. Das Wachstum
der Hefe 1696 wurde durch Messen der Kultur-Absorbanz bei 620
Nanometer mit einem Spektralphotometer unmittelbar nach der
Beimpfung sowie 1 Stunde, 2 Stunden, 3 Stunden, 4 Stunden, 5
Stunden, 6 Stunden und 7 Stunden nach der Beimpfung verfolgt.
Das Wachstum der in der Papierfabrik isolierten Hefe 1696
wurde spektrometrisch verfolgt; die A₆₂₀-Werte sind in Tabelle
2 zusammengestellt. Bei Novozym-234-Konzentrationen von 25 ppm
aufwärts wurde das Wachstum der Hefe 1696 erheblich gebremst.
Auch bei niedrigeren Konzentrationen des Novozym 234 wurde eine
Verlangsamung des Hefewachstums beobachtet, jedoch blieb die
Wirkung dann kürzer als bei den höheren Gehalten (Bild 2).
Die Hefe 1696 verursachte in einer finnischen Papierfabrik durch
Bildung von schleimartigen Präzipitaten Unterbrechungen in der
Papierproduktion. Neben den Schimmelpilzen haben sich die Hefepilze
infolge ihres Kettenbildungsvermögens und ihrer oft starken
Schleimerzeugung als äußerst problematisch erwiesen. Aus Tabelle
2 und Bild 2 ist ersichtlich, wie schon 1 ppm lytisches Enzym
Novozym 234 das Wachstum des in der Fabrik isolierten Hefestammes
1696 verzögerte. Bei höheren Enzymkonzentrationen erhöht sich
die inhibitorische Wirkung, und berücksichtigt man, daß die
verwendete Nährlösung beträchtlich größere Mengen gelöste Nährstoffe
als das Betriebswasser der Papierfabrik enthält, so kann
vorausgesetzt werden, daß in der Praxis ein periodisches zweistündiges,
mit Dosierpumpe erfolgendes Einspeisen von einigen
ppm im Abstand von jeweils vier Stunden genügen dürfte, um das
Wachstum des Hefepilzes auf ausreichend niedrigem Niveau zu
halten.
Als Nährmedium diente Trypton-Hefeextrakt-Lösung, die 0,5%
Trypton, 0,25% Hefeextrakt und 0,5% Natriumchlorid enthielt,
pH 9,2. Als Inokulum diente in entsprechendem Nährmedium kultivierte
frische Bakterienkultur. Die Kultivierung im Versuch
erfolgte als Schüttelkultur bei +37°C.
Als lytisches Enzym diente zentrifugiertes und filtriertes Cyto
phaga-sp.-NCIB-9497-Kulturmedium. (Das Filter hatte eine Porenweite
von 0,45 µm.) Als Nährlösung für den Enzymerzeuger diente
Hefeextrakt-Brühe, welche 2,0% Hefeextrakt enthielt, pH 7,0.
Die Bebrütung erfolgte bei +37°C und dauerte 16 Stunden.
Im Wachstumshemmversuch wurde dem Nährmedium des zu testenden
Bakteriums in Verbindung mit der Beimpfung filtriertes Cytopha
ga-sp.-NCIB-9497-Kulturmedium in einer Menge von 16 Volumenprozent
zugesetzt. Der Kontrolle wurde eine entsprechende Menge
Hefeextraktbrühe (2,0% Hefeextrakt) zugesetzt. Das Wachstum
wurde durch Messen der Konzentration des sich in der Kultur
zersetzenden Adenosintriphosphats (ATP) unmittelbar nach der
Beimpfung sowie 2 Stunden, 4 Stunden und 23 Stunden nach der
Beimpfung mit einer Biolumineszenzvorrichtung verfolgt. Die
Menge des sich zersetzenden ATP ist direkt proportional zur
Wachstumsintensität der Mikroben - je mehr zerfallendes ATP,
um so mehr lebende, aktive Mikroben.
Das Wachstum von Bacillus subtilis ATCC 23059 wurde durch Messen
der Veränderung des ATP-Gehaltes der Kultur verfolgt. Die gemessenen
ATP-Konzentrationen sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
Die Zugabe von lytische Enzyme enthaltendem Cytophaga-sp.-NCIB-
9497-Kulturmedium in die Bacillus-subtilis-ATCC-23059-Kultur
bewirkte eine beträchtliche Verlangsamung des Wachstums dieses
Bakteriums und eine deutliche Verlängerung seiner Lag-Phase.
Die Bazillen haben sich in der Papierindustrie sowohl wegen
ihres Kettenbildungsvermögens und damit als Ursache für Präzipitate
als auch wegen ihrer Fähigkeit, widerstandsfähige Sporen
zu bilden, die ins Endprodukt eingehen und besonders bei Lebensmittelpapier
große Schwierigkeiten verursachen können, als
problematisch erwiesen.
Das Wachstum des besagten Bacillus-subtilis-ATCC-23059-Stammes
läßt sich mit der von Cytophaga sp. erzeugten Enzymlösung für
eine Dauer von über vier Stunden völlig stoppen, was im Hinblick
auf das Eintragen mit Dosierpumpe in der Praxis der Papierindustrie
eine völlig ausreichende Inhibitionszeit ist.
Die Durchführung des Verfahrens erfolgte wie im Beispiel 3.
Das Wachstum des Bacillus sp. aus einer finnischen Papierfabrik
wurde durch Messung der ATP-Gehalts-Änderung der Kultur verfolgt.
Die gemessenen ATP-Konzentrationen sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
Durch Zugabe von Cytophaga-sp.-NCIB-9497-Kulturmedium
in die Bacillus-sp.-Kultur wurde das Wachstum des Bakteriums
durch deutliche Verlängerung seiner Lag-Phase verlangsamt.
Mit diesem Versuch konnte die Wirksamkeit des von Cytophaga
sp. erzeugten Enzyms auch auf einen "wilden" in einer finnischen
Papierfabrik isolierten Bacillus-sp.-Stamm bestätigt werden.
Auch in diesem Falle hielt die Wirkung in ausgezeichneter Weise
mehr als vier Stunden an, was im Hinblick auf die Praxis genügt.
Die Durchführung des Verfahrens erfolgte wie im Beispiel 3.
Das Wachstum des aus einer schwedischen Papierfabrik stammenden
Bacillus sp. wurde durch Messung der ATP-Gehalts-Änderung der
Kultur verfolgt. Die gemessenen ATP-Konzentrationen sind in
Tabelle 5 zusammengestellt. Durch Zugabe filtrierten Cytopha
ga-sp.-NCIB-9497-Kulturmediums in die Bacillus-sp.-Kultur wurde
das Wachstum des Bakteriums deutliche verlangsamt und seine
Lag-Phase verlängert.
Das von Cytophaga sp. erzeugte lytische Enzym ist ein Breitspektrumenzym,
denn es hat auch in diesem Versuch seine Langzeitwirkung
auf einen aus einer schwedischen Papierfabrik stammenden,
Probleme verursachenden Bacillus-sp.-Stamm bewiesen. Die vollständige
Inhibition hält mindestens vier Stunden lang an; in
dieser Zeit hat sich die Kontrolle ohne Enzymzusatz in bezug
auf ihre Wachstumsintensität mehr als verdreißigfacht.
Claims (3)
1. Verfahren zur Vernichtung Präzipitate verursachender,
schleimbildender und/oder die Qualität von Lebensmittelpapier
bzw. -karton beeinträchtigender Mikroben in den Fabrikationswässern
von Papierfabriken, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Fabrikationswasser der Papierfabrik lytisches Enzym mit
die Mikrobenzellwände zerstörender Glucanase- und Proteaseaktivität
zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Fabrikationswasser der Papierfabrik lytisches Enzym
auf eine Konzentration von vorzugsweise wenigstens 1 ppm zugesetzt
wird.
3. Einsatz von präzipitatverursachende, schleimbildende
und/oder die Qualität von Lebensmittelpapier bzw. -karton mindernde
Mikroben vernichtenden lytischen Enzymen in den Fabrikationswässern
von Papierfabriken.
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