Mit Hochdrucktechnik bakterien- und keimfrei

Antibakterielle Imprägnierung von Kunststoffen und Lebensmitteln

Sie sind auf Lichtschaltern, in Wasserrohren oder auf medizinischen Geräten: Bakterien. Besonders auf Kunststoffen fühlen sie sich wohl. Keimtötende Werkstoffe wie Kupfer oder antibakterielle Beschichtungen können helfen. Aber mit einer neuen Entwicklung des Fraunhofer UMSICHT können Bakterien auf Oberflächen auch anders reduziert werden.

Imprägnierung mit Naturstoffen

Für sensible Anwendungen wie Trinkwasserrohre setzen die Fraunhofer-Forschenden auf Imprägnierung mit Naturstoffen, die die Entstehung eines Bakterien-Biofilms verhindern. | © Fraunhofer UMSICHT

Seit mehreren Jahren forscht das Fraunhofer UMSICHT an der antibakteriellen Imprägnierung von Werkstoffen, besonders Kunststoffen. Ihr Ziel ist es, umweltfreundliche Alternativen zu finden, die nicht toxische Werkstoffe oder zu teure Werkstoffe wie Kupfer enthalten. Der Vorteil an der Imprägnierung: Nur geringe Mengen des antimikrobiellen Wirkstoffs müssen eingebracht werden und eine nachträgliche Ausstattung ist möglich. In einem anderen Verfahren, das sich besonders auf Oberflächen mit Biofilm wie medizinische Geräte und Wasserrohre bezieht, wird die Kommunikation zwischen Bakterien gezielt gestört. So wird die Bildung eines Biofilms verhindert.

Überkritisches Kohlendioxid bei der Imprägnierung

Das Fraunhofer UMSICHT entwickelte ein Verfahren zur nachträglichen Beschichtung der Oberflächen mit antibakteriellen Wirkstoffen. Dieses wirkt genau an der Oberfläche. Polymere Oberflächen werden mithilfe von überkritischem Kohlendioxid imprägniert. Dieses eignet sich besonders, da es auf der einen Seite ähnlich leicht wie Gas in eine Oberfläche eindringen kann und auf der anderen Seite gleichzeitig die Dichte einer Flüssigkeit aufweist. Außerdem ist Kohlendioxid nicht brennbar oder toxisch, ist gut verfügbar und günstig.

Bei der Imprägnierung von z.B. Lichtschaltern mit überkritischem Kohlendioxid werden auch nano- und mikroskalige Silberpartikel eingebracht. Diese stoppen die Vermehrung der Bakterien. Das Kohlendioxid öffnet die polymere Struktur und ermöglicht den Stofftransport an die Oberfläche. Schon nach einer Stunde sei ein zuvor kontaminierter Lichtschalter bakterienfrei, bestätigt Nils Mölders, Abteilungsleiter Materialsysteme und Hochdrucktechnik am Fraunhofer UMSICHT, die Tests.

Naturstoffe stören Kommunikation der Bakterien

Bei der Medizintechnik oder Trinkwasser-Installationen hingegen werden „Quorum Quenching-Naturstoffe“ verwendet, um Nanopartikel und Silbersalze zu vermeiden. Ziel ist es hier, die Kommunikation von Bakterien zu Beginn zu verhindern, sodass kein Biofilm entsteht. Die eingesetzten Naturstoffe belegen die Rezeptoren der Bakterien und verhindern so die Kommunikation und die schädliche Wirkung. Dabei sind die Stoffe umweltverträglich und ungefährlich für Menschen und Tiere.

Biofilm eines klinischen Isolates

HIPS-Forscher haben ein Molekül hergestellt, das Infektionen mit Pseudomonaden im Körper sichtbar machen kann. Nächster Schritt wäre die Weiterentwicklung des Moleküls zu einem Wirkstoff, der die Biofilmbildung von Pseudomonas aeruginosa unterdrückt.

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Auch für den Schiffsbau sind sie geeignet. Hier werden derzeit noch biozide Lacke eingesetzt. Die Naturstoffe werden zur Immobilisierung mikroverkapselt oder mithilfe der Hochdruckimprägnierung in die gewünschte Materialoberfläche eingebracht. Erste Tests beim Fraunhofer UMSICHT waren bereits erfolgreich, Feldversuche für Bootslacke werden vorbereitet.

Keimfreie Lebensmittel durch Imprägnierung

Besonders Lebensmittel mit geringer Wasseraktivität sind anfällig für Keime und wurden in den vergangenen Jahren wegen einer Kontamination zurückgerufen. Dazu gehören Mandeln, Erdnüsse, Nusspasteten, Trockenfrüchte und -gemüse, Trockenfleisch, Milchprodukte wie Milchpulver sowie getrocknete Tees, Kräuter und Gewürze. Auch hier kann das Fraunhofer UMSICHT Abhilfe schaffen. Zusammen mit Partnern der Universität in Alberta (Kanada) entwickelte es ein Verfahren, um pathogene Mikroorganismen auf Lebensmitteln durch den Einsatz von komprimiertem Kohlendioxid abzutöten.

Mit antimikrobiellen Ölen und unter Einsatz von überkritischem Kohlendioxid war es bereits möglich, Mandeln im Labormaßstab zu dekontaminieren. Durch die Imprägnierung sind die Mandeln zudem keimresistent und ihre Qualität wird nicht beeinträchtigt. Laut Karen Fuchs vom Fraunhofer UMSICHT seien die eingesetzten Öle ausschließlich pflanzliche Extrakte und Kohlendioxid extrahiert, sodass sich das Öl beim Imprägnierprozess wieder in das komprimierte Kohlendioxid einlöse und in die zu imprägnierende Oberfläche eindringe und seine Wirkung erziele. Des Weiteren könne das Kohlendioxid rückstandsfrei von den Mandeln abgetrennt und nach dem Prozess recycelt werden. Als nächstes soll das Verfahren auf andere Lebensmittel übertragen werden.

 

Literatur:

Mölders, Nils; Renner, Manfred; Errenst, Cornelia; Weidner, Eckhard (2018): Incorporation of antibacterial active additives inside polycarbonate surfaces by using compressed carbon dioxide as transport aid. The Journal of Supercritical Fluids; Volume 132, February 2018, Pages 83-90.

Quelle: Fraunhofer UMSICHT