Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5493
Main Title: Characterization and identification of microbial contaminations and biofilm formation in metal-working-fluids
Translated Title: Charakterisierung und Identifizierung von mikrobiellen Kontaminationen und der Biofilmentwicklung in Kühlschmiermitteln
Author(s): Langbein, Jennifer Edith
Advisor(s): Stahl, Ulf
Referee(s): Stahl, Ulf
Neubauer, Peter
Neu, Thomas
Uhlmann, Eckart
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Microbial contamination in metal working fluids is a long known issue in fluid management with various effects. The microorganisms present pose a potential health hazards as pathogens are found frequently, they degrade the MWF, leading to mal-function of the MWF and thereby of the machining process with according financial impact. The system MWF – Machine – Environment was analyzed minutely, so as to clarify the contamination process, showing that both the mixing water and the pro-cessed metals are significant sources of contamination. The major sources of (re)-contamination are biofilms in machines. Therefore biofilms in five machines at two industrial sites were investigated intensively. It was shown that biofilms in machines mature in 3-4 weeks with the primary colonizer being Micrococcus luteus and Pseudomonas sp.. The diversity of biofilms is mostly in congruence with the diversity in the MWF and depends strongly on the industrial site. One industrial site, which is next to a grain storage and mill, was predominantly contaminated by Gram positive bacteria, whereas the machines in a large sized industrial hall were contaminated by mostly Gram negative bacteria. Comparing the diversity of the biofilm associated bacteria with the planktonic biodiversity, showed a higher diversity in the biofilm, with a larger number of pathogens present, especially Mycobacterium immunogenum. The biofilm consisted of mostly environmental bacteria with a small number of highly adapted bacteria like Pseudomonas oleovorans and Bacillus methylotrophicus. Mechanical cleaning of the tank proved to be insufficient as the biofilm in the tubing system still existed, leading to a recontamination of the system within two days. The isolated bacteria were used for investigating the biofilm in vitro. Different metals substrata showed only minor effects, whereas a temperature increase and turbulence lead to higher rates of biofilm formation. A further undesirable trait of these bacteria was their capability to cause biocorrosion on an aluminum alloy, copper and, to a low degree, stainless steel within one week. With the knowledge that the metabolism of biofilm associated bacteria differs from that of planktonic bacteria, a biofilm assay was established to test the degradability/biostability of MWF compounds and compare this with planktonic cultures. Both single and mixed species cultures were used. It was shown that, the biofilm bacteria were capable of metabolizing six of seven compounds, with the highest growth rates found for the mixed species biofilms, whereas the planktonic cultures were most of the time not able to grow with the MWF compounds as sole carbon sources.
Mikrobielle Kontamination von Kühlschmierstoffen (KSS) ist ein seit langem bekanntes Problem mit unterschiedlichen Auswirkungen sowohl auf die Gesundheit der Arbeiter als auch auf die Produktion durch den Funktionsverlust des KSS. Das System KSS – Maschine – Umwelt wurde genau analysiert, um mögliche Kontaminationswege aufzuklären. Sowohl die Mikroorganismen im Ansetzwasser als auch auf den zu bearbeitenden Metallen stellen signifikante Kontaminationsquellen dar. Eine weitere bedeutende Quelle sind Biofilme in den Maschinen. Es wurden fünf Maschinen an zwei Standorten unterschiedlicher Größe intensiv untersucht. Es zeigte sich, dass als Primärbesiedler Micrococcus luteus und Pseudomonas sp. auftreten und die Reifung des Biofilms 3-4 Wochen dauert. Die mikrobiellen Diversitäten des Biofilms und des KSS stimmen größtenteils überein und sind Standort abhängig. Die Maschinen am kleinen Standort, der sich neben einem Getreidelager und einer Mühle befindet, waren überwiegend mit Gram positiven Bakterien kontaminiert, wohingegen die Maschinen in einer großen industriellen Werkhalle hauptsächlich von Gram negativen Bakterien kontaminiert waren. Beim Vergleich der Diversitäten der Biofilm assoziierten Bakterien mit der planktonischer Bakterien zeigte sich eine höhere Diversität innerhalb des Biofilms, insbesondere an pathogenen Keimen, wie z. B. Mycobacterium immunogenum. Generell fanden sich hauptsächlich Umweltkeime und eine kleine Anzahl an hoch spezialisierten Bakterien wie Pseudomonas oleovorans und Bacillus methylotrophicus im Biofilm. Eine mechanische Reinigung des Tanks erwies sich als nicht ausreichend, da in den Leitungen noch Biofilm existiert, der das System wieder kontaminiert und innerhalb von zwei Tagen zu einem nachweisbaren Biofilm führt. Die isolierten Bakterien wurden verwendet, um in vitro KSS-Biofilme genauer zu untersuchen. Die Verwendung von verschiedenen Metallsubstrata hatte nur geringen Einfluss, während eine Temperatur Erhöhung und Turbulenz zu höherem Biofilmwachstum führten. Eine weitere unerwünschte Eigenschaft dieser Bakterien ist ihre Fähigkeit Biokorrosion zu erzeugen, so veränderten sie die Oberfläche einer Alumi-niumlegierung, Kupfer und zu einem geringen Teil auch von Edelstahl innerhalb einer Woche. Da der Metabolismus von Biofilm assoziierten Bakterien anders ist als von planktonischen Bakterien, wurde ein Biofilm Assay entwickelt, um die Abbaubarkeit/Biostabilität von KSS Bestandteilen zu untersuchen und diese mit ihrer Abbaubarkeit in planktonischer Kultur zu vergleichen. Es zeigte sich, dass die Biofilm Bak-terien 6 von 7 untersuchten KSS Komponente abbauen können, wohingegen die planktonischen Kulturen meist nicht in der Lage waren die KSS Bestandteile zu verstoffwechseln.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5900
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5493
Exam Date: 9-Jun-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 15-Sep-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): biofilm
biofilm development
microbial contamination
metal-working-fluids
microbiom in machines
Biofilm
Biofilm-Entwicklung
mikrobielle Kontamination
Kühlschmiermittel
Microbiom in Maschinen
Sponsor/Funder: BMBF, 0312037, PrE-BioTec – Production Engineering für zellfreie Biotechnologie
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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