NANOVIR – ein Virenfilter für sauberes Trinkwasser dank

NANOVIR – ein Virenfilter für sauberes Trinkwasser
dank Nanotechnologie
Mehr als eine Milliarde Menschen haben keinen oder nur
eingeschränkten Zugang zu sauberem, nicht mit Krankheitserregern verseuchtem Trinkwasser. Mehrere Millionen
sterben gar jedes Jahr aufgrund von verunreinigtem Wasser.
Die Empa arbeitet zusammen mit einem Industriepartner
an der Entwicklung neuartiger Virenfilter auf der Basis
von High-Tech-Keramik, wie sie bereits für Bakterienfilter
zum Einsatz kommen.
Bruchfläche eines
beschichteten
Virenfilters mit
adsorbierten
Latex-Nanopartikeln
(Partikelgrösse 50 nm).
Viren gelten gemeinhin als kleinste «Lebewesen»
terienfilter aus High-Tech-Keramik wollten die
Mit Nano auf Virenfang
auf unserem Planeten. Im Lauf der Evolution ha-
Empa-Forscher nun in einem von der Förder-
Die inzwischen zum Patent angemeldete Idee
ben sie sämtlichen genetischen «Ballast» über
agentur für Innovation KTI geförderten Projekt so
der Empa-Forscher: Würde die Filteroberfläche
Bord – sprich aus ihrem Erbgut – geworfen und ih-
modifizieren, dass sie auch virale Krankheitserre-
mit Nanopartikeln beschichtet, müsste die mo-
re Grösse stetig reduziert. Während Mikroorga-
ger effizient zurückhalten.
difizierte Oberfläche die Viren zurückhalten kön-
nismen wie Coli-Bakterien aus unserem Darm
Keramikfilter aus Kieselgur, einem natürlichen
nen. Darauf hatten erste Tests mit Nanopartikel-
ca. einen Mikrometer gross sind, sind Viren 10- bis
Rohstoff, der hauptsächlich aus Siliziumoxid be-
Schichten hingewiesen – daher der Projektna-
100-mal kleiner. Und genau das ist die Krux: Für
steht, haben viel versprechende Eigenschaften.
me NANOVIR. Um die Effizienz der Virenfilter zu
die vergleichsweise «riesigen» Bakterien gibt es
Sie lassen sich einfach und kostengünstig her-
bestimmen, mussten die Empa-Forscher in Zu-
bereits seit einiger Zeit effiziente keramische Fil-
stellen und zur mehrmaligen Verwendung wieder
sammenarbeit mit ihren Katadyn-KollegInnen
tersysteme, um die Krankheitserreger aus dem
regenerieren. Dabei sind die Vorgaben – etwa von
indes zuerst einen (ungefährlichen) Filtertest etab-
Trinkwasser zu entfernen. Nicht so für Viren. Die
der US-Umweltschutzbehörde EPA – an wirksame
lieren. Nachdem sie verschiedene Substanzen
winzigen, infektiösen Keime schlüpfen selbst
Virenfilter äusserst streng. So muss er mindestens
evaluiert hatten, erwiesen sich fluoreszierende
durch die feinsten Filter.
99.99 Prozent aller Viren in verschmutztem Wasser
Latexpartikel mit einem Durchmesser von 36
zurückhalten, sprich: Maximal ein Viruspartikel
Nanometer in Grösse und Oberflächeneigen-
Neuartiges Herstellungsverfahren für
keramische Mikrobenfilter
pro 10 000 Viren darf die Filter passieren. Dabei
schaft als den Viren am ähnlichsten. Aber auch
sollten die Virenfilter noch rund 60 Liter pro Stun-
einen echten Virentest entwickelten die Forscher
Bereits seit einigen Jahren arbeiten die Empa-
de filtern können und im portablen Einsatz – al-
gemeinsam mit dem Industriepartner Katadyn –
Forscher um Thomas Graule und Frank Clemens
so bei stark verschmutztem Wasser – eine «Le-
mit für Menschen ungefährlichen MS2-Bakterio-
mit der Schweizer Firma Katadyn Produkte AG
bensdauer» von mindestens 500 Liter aufweisen.
phagen, also Viren, welche Bakterien infizieren.
zusammen mit dem Ziel, wirksame Mikrobenfil-
Gleichzeitig müssen die mikroporösen Keramik-
Erste Ergebnisse sind viel versprechend. Unter
ter zu entwickeln. Mit Erfolg, wie das gemeinsam
filter natürlich nach wie vor wirksam gegen Bak-
Laborbedingungen hält der Nano-Filter bei einer
entwickelte neue Herstellungsverfahren zeigt;
terien sein.
Durchflussrate von 60 Liter pro Stunde 99.9999
das so genannte Extrusionsverfahren senkt
Prozent der MS2-Phagen zurück. Und auch Bak-
Materialverbrauch und Produktionskosten um
terien wurden – wie gefordert – in gewohnter Wei-
mehr als die Hälfte – und steigert erst noch die Zu-
se herausfiltriert. Allerdings lässt die Filterwirkung
verlässigkeit der Hightech-Keramikfilter. Ihre Bak-
mit der Zeit nach, da die Nanopartikel mit zunehmender Nutzung an Wirksamkeit einbüssen.
18
Das Elektronenmikroskop zeigt die
Porenstruktur im
eingesetzten Virenfilter-Rohmaterial
Kieselgur.
1 µm
10 µm
Derzeit testen die Empa-Forscher verschiedene
Nano-Beschichtungen sowie Produktionsbedingungen, um die Nanopartikel irreversibel an die
Parvovirus (20nm)
Keramikfilter zu binden. Eine gerade begonnene Doktorarbeit beschäftigt sich zudem mit dem
Einfluss von «Schmutzstoffen» wie organische
Adenovirus (80nm)
Poliovirus (30nm)
Schwebstoffe in Flusswasser, welche die Wirkung der Virenfilter beeinträchtigen können. Eine erste mögliche Anwendung der Filter dürfte da-
Influenzavirus (100nm)
her nicht im Outdoorbereich liegen, sondern im
Haushalt zur Aufbereitung von Leitungswasser in
Tabakmosaik-Virus (130nm)
Bakteriophage (150nm)
Entwicklungsländern, in denen dies notwendig und
sinnvoll ist.
Herpesvirus (150nm)
Bakterium (500x1100nm)
Projektpartner der Empa
Pockenvirus (300nm)
– Katadyn Produkte AG, Wallisellen
– Förderagentur für Innovation KTI
Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal von Viren und Bakterien ist ihre
Grösse. Während Bakterien bis zu 0.002 mm gross werden, sind Viren
bis zu hundertmal kleiner. Bakterien sind deshalb noch unter dem Lichtmikroskop zu erkennen, Viren jedoch nur unter dem Elektronenmikroskop.
Dr. Thomas Graule
thomas.graule @ empa.ch
19