18. september 2009 Slutrapport for forsknings- og udviklingsprojekter med tilskud fra Innovationsloven 1. Projekttitel: R1 Nanoteknologi: Selvrensende overflader/fotokatalyse Afdækning af potentialer i stald- og malkeanlæg samt luftrensning. 2. Direktoratets j.nr.: 3412-06-01451 3. Ansøger: Afdelingsleder Kjeld Bagh, Dansk Landbrugsrådgivning, Landscentret, Plan & Miljø, Udkærsvej 15, 8200 Århus N, tlf. 8740 5000, fax 8740 5010, e-mail: keb@landscentret.dk 4. Samarbejdsparter : AgroTech, Center for Bioressourcer og Teknologisk Institut, Center for Plastteknologi 5. Kontaktpersoner: Mikrobiolog, konsulent Mathias Andersen, AgroTech, Institut for Jordbrugsog Fødevareinnovation, Udkærsvej 15, 8200 Århus N, tlf. 8743 8463, e-mail: mxa@agrotech.dk 6. Øvrige projektmedarbejdere: Phd, seniorkonsulent Anna Svensson, Teknologisk Institut, Center for Plastteknologi, Gregersensvej 1, 2630 Taastrup, tlf. 7220 2477, fax 7220 3112, e-mail: anna.svensson@teknologisk.dk; Konsulent Niels Henrik Lundgaard, AgroTech, Institut for Jordbrugs- og Fødevareinnovation, Udkærsvej 15, 8200 Århus N, tlf. 8743 8464 e-mail: nhl@agrotech.dk 7. Projektets start- og slutdato: 1.08.2006 30.08.2009 8. Statusrapport (maksimalt 3-5 A4-sider) Denne rapport er udarbejdet af AgroTech, Institut for Jordbrugs- og FødevareInnovation, Udkærsvej 15, 8200 Århus N, tlf. 8743 8400, fax 8743 8410, www.agrotech.dk og Teknologisk Institut, Center for Plastteknologi, Gregersensvej 1, 2630 Taastrup, tlf. 72202490, fax 72203203
Indholdsfortegnelse Indholdsfortegnelse... 2 Resumé... 3 Indledning... 3 In situ forsøg... 5 Bakteriedensitet og støvtilhæftning på nanobelagte metalplader... 5 Mikrobiologisk analyse... 6 Visuel analyse af støvtilhæftning... 6 Fotokatalytisk belægning af ventilatorblade... 7 Slidtest... 7 Fotokatalytisk effekt... 7 Diskussion... 8 Konklusion... 9 2
Resumé Selvrensende overflader har vist sig at være effektive til at nedbringe bakteriepresset i en fjerkræproduktion. Der blev i dette forsøg afprøvet 7 forskellige selvrensende overflader med meget svingende effekt. De mest effektive overfladebehandlinger viste sig at kunne nedbringe bakteriedensiteten med over 52 %. De fotokatalytiske belægninger har en klar forøget effekt ved kontinuerligt UVA belysning, men det har vist sig, at en lignende effekt for nogle belægninger kan opnås ved kortere perioder med høj lysintensitet. Selvrensende overflader indeholdende nanosølv har også vist sig at have en høj antiseptisk virkning uden behov for belysning. Selvrensende overflader har i forsøget også bevist, at de brugt på ventilatorvinger kan nedbringe strømforbruget. Indledning Formålet med projektet er at klarlægge mulighederne for at anvende selvrensende, fotokatalytiske overflader i landbruget til begrænsning af lugtemission, forbedring af hygiejnen i relation til håndtering af malke- og vådfodringsanlæg samt arbejdsrationalisering i relation til rengøring af staldanlæg. Projektet indeholder en teknisk og en økonomisk afklaring af teknologiens muligheder samt indledende forsøg med anvendelse af selvrensende overflader i fjerkræstalde. Denne første del af projektet indeholder udelukkende en teoretisk gennemgang af potentialet for anvendelse af fotokatalytisk nanoteknologi inden for landbruget. Selvrensende overflader kan være en stor fordel i form af lettere og hurtigere rengøring, men et endnu vigtigere parameter for fotokatalytiske belægninger er dens evne til at mindske bakteriel vækst. Infektioner koster mange penge for landbruget, hvor yverbetændelse hos kvæg, salmonella i fjerkræ og overforbrug af antibiotika hos svin er kendte eksempler. En styrket indsats over for bakterie smitte via biofilm i husdyrproduktion er derfor nødvendig. Det vurderes, at der især er et stort potentiale inden for fjerkræproduktion, der forventes at blive verdens største husdyrproduktion i løbet af få år. Fjerkræproduktion er desuden kendetegnet ved enorme flokstørrelser med super intensiv produktion. På globalt plan mistes omkring 10 % af produktionsværdien på grund af kliniske og subkliniske infektioner. Ved anvendelse af moderne nanoteknologi kan bakterie smitte og dertilhørende omkostninger minimeres. Smitteveje vil blive brudt gennem brug af selvrensende overflader, der udover at have en antiseptisk effekt, kan lette og effektivisere rengøringen. Oplagte steder for implementeringen af teknologien er inden for fodringssystemer, hvor overflade på nipler, vandkopper og fodretrug vil have en stor effekt. I projektets 2. fase blev der opbygget og udviklet metoder til hhv. fremstilling og vurdering af fotokatalytiske belægninger. I arbejdet med udvikling af overflader til kontrollerede nedbrydningsforløb er der gennemført en materialeundersøgelse med fokus på at opnå en homogen, fotokatalytisk belægning af TiO 2 partikler med acceptable mekaniske egenskaber. Med udgangspunkt i en standardbelægning udviklet på Teknologisk Institut, er der arbejdet med at deponere TiO 2 suspension på overflader, der anses for at være aktuelle i landbrugssektoren. De afprøvede overflader er følgelig; plast, stål, glas og eternit, der ligesom beton er en meget porøs struktur. Der er desuden arbejdet med at forbedre den mekaniske styrke af standard TiO 2 -belægningerne, da disse i udgangspunktet er for svage til at modstå almindeligt slid. Styrken er forsøgt forbedret ved at tilsætte en såkaldt binder til suspensionen, hvorved de fotoaktive partikler bindes sammen og danner en mere sammenhængende film, der er mere slidstærk. Der er et trade-off mellem katalytisk aktivitet af belægningen og den mekaniske styrke, idet en mere sammenhængende film har en mindre overflade end partiklerne, hvorpå nedbrydning kan ske. Det har ikke været muligt i dette projekt at identificere et bindersystem, der har forbedret de mekaniske egenskaber af TiO 2 -filmen. 3
Da en væsentlig milepæl i projektet er anvendelse og demonstration af fotokatalytiske produkter i landbrugssektoren, er der også undersøgt enkelte kommercielle produkter til fremstilling af fotokatalytiske belægninger som alternativ til standardbelægningen fra Teknologisk Institut. Der er et meget stort spænd i fotokatalytisk effektivitet af produkterne, og ingen har udmærket sig i sammenligning med den almindelige standardbelægning fremstillet ved Teknologisk Institut. Der er endvidere testet kommercielle produkter, der i forvejen er belagt med en fotokatalytisk belægning; fliser, rudeglas og en monolit belagt med TiO 2 til luftrensning. Særligt monolitten til luftrensning skiller sig ud med en god fotokatalytisk aktivitet. Da fase 3 af projektet ikke beskæftiger sig med luftrensning, vil dette resultat ikke kunne inkluderes i dette projekt, men kan undersøges nærmere ved en senere lejlighed. Aktiviteterne omkring udvikling af egnet forsøgsmetodik er udført som dels et litteraturstudie for at afsøge mulige metoder dels en egentlig praktisk udvikling af forsøgsmetodik. Den praktiske metodeudvikling er gennemført med en kraftig inspiration fra et internationalt møde omkring standardisering af analysemetoder til fotokatalyse samt fra de japanske og europæiske standarder på området, der blev tilgængelige i løbet af foråret 2008. Ved udvikling af forsøgsmetodik, herunder valg af indikatorforbindelse samt lyskilde og lysfordeling, er der udviklet tre metoder til undersøgelse af fotokatalytisk aktivitet. Den ene metode baseres på et indikatorfarvestof methylenblåt i opløsning der sprøjtes på en overflade belagt med TiO 2. Overfladen belyses med UV-lys, hvorved farvestoffet nedbrydes katalytisk. Methylenblåt farver overfladen stærkt blå og i takt med, at farvestoffet nedbrydes, bliver overfladen mindre blå for til sidst at blive helt hvid, svarende til farven af TiO 2 -laget. Denne metode er rent kvalitativ, men udmærker sig ved at være meget intuitiv og nem at forholde sig til. De to øvrige analysemetoder er kvantitative: nedbrydning af farvestof i opløsning, henholdsvis nedbrydning af et fedtstof i kontakt med en katalytisk overflade. For den ene kvantitative metode nedsænkes prøven i et kar med en vandig opløsning af farvestoffet methylenblåt. Prøve og opløsning belyses med UV-lys, hvorved det farvestof, der er i kontakt med den fotokatalytiske belægning, nedbrydes. I takt med nedbrydningen ændres opløsningens absorbans, hvilket kan måles spektrofotometrisk. Styrken ved denne metode er, at det er muligt at teste meget forskellige geometrier samt relative store emner. Udfordringen er, at den fotokatalytiske effekt måles indirekte ved at måle på en ovenstående væske frem for på selve overfladen. Den anden metode er endnu ikke beskrevet i en international anerkendt standard for test af fotokatalytiske materialer, og den baserer sig derfor på forslag til tyske DIN-normer. Metoden er en tilnærmelse af reelle nedbrydningsforhold og baserer sig på nedbrydning af et fedtstof, der nedbrydes under almindeligt dagslys. Fedtstoffer er den mest almindelige forurening, og i analysen anvendes methylstearat. Methylstearat nedbrydes fotokatalytisk til CO 2 og vand, hvilket kan følges løbende vha. FTIR (Fourier Transform Infra Red spectroscopy). Denne metode udmærker sig ved at være en meget virkelighedsnær test, hvor fotokatalytisk effekt måles direkte på den aktive overflade. Desværre er der en begrænsning i forhold til størrelsen af emner, da de skal tilpasses geometrien i analyseudstyret. 4
In situ forsøg I projektets 3. fase fokuseres der på at undersøge fotokatalytiske belægninger under staldforhold, hvor belægningerne udsættes for de påvirkninger, der naturligt forekommer under normale produktionsforhold. Testen blev gennemført i en konventionel slagtekyllingestald. Forsøgsopstillingen består af to dele. Første del indeholder opsætning af metalplader med forskellige selvrensende overfladebelægninger med og uden UV belysning med henblik på test af overfladernes antimikrobielle effekt samt effekten af reduceret støvtilhæftning. Anden del består af fotokatalytisk overfladebehandling af eksisterende ventilatorblade med henblik på at teste effekten af reduceret støvtilhæftning ud fra energiforbruget. Hele forsøget forløber over en produktionscyklus på 41 dage fra kyllingerne kommer ind i stalden til de bliver sendt til slagtning. Grundet logistik i forhold til landmanden blev metalpladerne taget ned 4 dage før slagtning af kyllingerne. Bakteriedensitet og støvtilhæftning på nanobelagte metalplader Rustfrie stålplader med en tykkelse på 1 mm og et areal på 10 x 15 cm blev opsat hængende lodret ca. en halv meter over jorden i en slagtekyllingestald, se figur 1. Disse plader var forinden belagt med 8 forskellige belægninger, hvoraf 7 var aktive belægninger og én var en normal vægmaling, der fungerede som reference. De forskellige belægninger blev i stalden opdelt i to grupper med replikater fra alle belægninger i hver. Den ene gruppe blev udsat for naturlig belysning fra normale lysstofrør, og den anden blev belyst med UVA lys i bølgeområdet omkring 320 nm. Efter produktionsperioden på 37 dage blev prøverne taget ned og analyseret visuelt for støvtilhæftning og for bakterietal. Efterfølgende blev alle prøver udsat for en stærk belysning fra en højfjeldssol i 6 timer, hvorefter der igen blev taget prøver til den mikrobiologiske analyse. De forskellige nanoprodukter blev udvalgt ud fra en enkel screening af forskellige kommercielt tilgængelige belægninger med en påstået fotokatalytisk aktivitet. De otte afprøvede belægninger, udmærkede sig ved enten at have en god mekanisk styrke og/eller en forventet god fotokatalytisk/antibakteriel effekt. En beskrivelse af de forskellige belægninger/malinger findes i bilag 1. Overordnet set kan de forskellige belægninger inddeles i tre kategorier: som egentlige malinger med en bred vifte af dispergeringsmidler, bindere osv., som tynde dispersioner af TiO 2 med få tilsatsstoffer og som en suspension af det kommercielle TiO 2 pulver Degussa P25 uden tilsatsstoffer. Sidstnævnte belægning anvendes som standardbelægning på Teknologisk Institut og er kendetegnet ved en høj katalytisk aktivitet og en ringe mekanisk styrke. Som en del af screeningen, blev de enkelte belægningers vedhæftning til forskellige repræsentative materialer (PVC, polypropylen-pp, rustfrit stål og glas) undersøgt. Dette afslørede storre forskelle på belægningerne, hvor glas er det eneste materiale alle belægninger kan hæfte til, jfr. bilag 1. Da glas ikke er et repræsentativt materiale til anvendelse i landbruget, valgte vi at bruge rustfrit stål som substrat for test under de reelle produktionsforhold i kyllingestalden og følgelig de belægninger med god vedhæftning til rustfrit stål. Som reference blev anvendt en almindelig indendørs maling, uden fotokatalytiske- eller selvrensende egenskaber. Prøveemnerne til test i kyllingestald blev fremstillet som opstrøg med en tykkelse på 150 µm på 10x15 cm plader af rustfrit stål. Belægningerne af henholdsvis de fotokatalytiske malinger, referencemalingen og standard TiO 2 belægningen fremstår alle helt hvide og uigennemsigtige mens de resterende kommercielle dispersioner danner tynde, transparente film. 5
Mikrobiologisk analyse Fra belægningen af hver metalplade blev der foretaget et skrab på 13,6 cm 2, hvor alt støv og biofilm blev fjernet fra overfladen. Skrabet blev overført til en 10 ml bufferopløsning og lagt på køl. Efterfølgende blev alle prøver sonikeret i 5 min efterfulgt af grundig vortex. Dernæst blev prøverne fixeret i 2 % glutaraldehyd og forseglet (med neglelak) på glasslide. Alle prøver er talt i fuldt grid. Dvs. 10x10 felter, der i alt er 120µm x 120µm ved 100x objektiv. Hver prøve er fortyndet 1:1. Dvs. der er tilsat 20µl prøve + 20µl farve (SYBR Green 2, der farver DNA og RNA indeni cellen). Der var en generel lav celletæthed i prøverne til mikroskopering, hvilket kan give større usikkerhed for analysemetode. Der var flere prøver, hvor der var færre end 20 celler pr grid, hvilket anses for at være under detektionsgrænsen (BDL). Hvis vi i første omgang kikker på, hvilken effekt UVA har på de fotokatalytiske belægninger i forhold til normal staldbelysning, ser vi en klar effekt for de 3 fotokatalytiske belægninger (se bilag 3. Figur 1.). Hvor den mikrobiologiske analyse er over detektionsgrænsen, ser vi en klar effekt af UVA belysningen, med den største effekt for Pure Life, der ved UVA belysning får en reduktion på knap 40 %. Den efterfølgende behandling med 6 timers høj UV-lysintensitet (HLI) giver et mindre entydigt billede (se bilag 3, tabel 2 og figur 2.). Pure Life produktet viser ingen eller negativ effekt efter behandlingen, mens de to Titernal produkter gennemsnitlig har en 24 % reduktion i celletallet efter behandling med HLI. Specielt belægningen med Titernal E viser en høj cellereduktion efter behandling med HLI. Denne prøve viste en reduktion på 41 % sammenlignet med samme belægning der ikke havde været udsat for UV belysning. Kontrol overfladen, som består af almindelig vægmaling, var relativ upåvirket af både UVA belysning og HLI, hvilket bekræfter, at de markante reduktioner vi ser skyldes den fotokatalytiske effekt. Sammenligner man de forskellige fotokatalytiske overflader efter UVA belysning direkte med kontrollen, får man væsentlige større reduktioner, også uden ekstra lystilførsel, (se bilag 3, tabel 3 og figur 3). Pga. det lave celletal i prøverne kan effektiviteten ikke afgøres præcis for prøverne med Amphibolin, Climasan, TI-coat og Nano-silver. Reduktionsgraden for disse prøver ligger dog over 52 %. For de resterende prøver er reduktionen i forhold til kontrollen moderat. Visuel analyse af støvtilhæftning Som en del af karakteriseringen af de eksponerede prøver fra kyllingestalden blev der lavet en så vidt mulig objektiv, visuel vurdering af prøvernes tilsmudsningsgrad, dvs. om prøverne havde skiftet farve, og hvor meget støv og fedt der sad på emnerne. Alle prøver blev sammenlignet med et nyt opstrøg af belægningen og fik en karakter på mellem 1 og 5, svarende til henholdsvis helt rene og helt tilsmudsede, for på enkel vis at kunne sammenligne prøverne på tværs. Prøverne blev desuden fotograferet efter eksponeringen som dokumentation af udseendet. Den visuelle vurdering viste stor spredning i resultaterne inden for samme serie (belægning) både på farve og på tilsmudsningsgrad. Der var heller ingen væsentlige forskelle i belægningernes udseende afhængig af om de havde hængt i UV lys eller ej. Det bemærkes dog, at der ses en øget tendens til gulfarvning af belægninger af malingstypen. Disse belægninger viste sig også at være blandt de mest antiseptiske (se afsnit om mikrobiologisk analyse), så gulfarvningen kan muligvis skyldes en begyndende fotokatalytisk nedbrydning af et organisk bindesystem i malingen. Der sås i samme miljø ingen gulfarvning af hverken referencemalingen eller den mest fotokatalytisk aktive belægning; Degussa P25.. En oversigt over den visuelle vurdering af alle prøver inklusiv grafisk afbildning af gennemsnits-værdi og spredning i karakter samt billeder af alle prøver ses i bilag 2. 6
Fotokatalytisk belægning af ventilatorblade For kvantitativt at bestemme fotokatalytiske belægningers evne til reducere støvtilhæftningen har vi i forsøget behandlet en række ventilatorblade med 2 forskellige fotokatalytiske belægninger og herefter målt energiforbruget for ventilatorerne holdt op mod ubehandlede ventilatorer. Der kan ophobe sig store mængder støv på ventilatorbladende, som vil gøre dem tungere og mindre aerodynamiske resulterende i et højere strømforbrug. Energiforbruget blev målt over 2 måneder med 2 ventilatorer for hver belægning. Udfra resultaterne i Bilag 3, tabel 4 ses det, at belægningen med Amphibolin ikke havde nogen effekt på energiforbruget, mens Titernal E havde en lille effekt på gennemsnitlig 1,5 %. Dette lyder af lidt, men kan på årsbasis betyde flere tusinde kroner i sparet elektricitet og lettere rengøring. At Amphibolin ikke havde nogen effekt kan skyldes, at overfladen ikke er optimeret til den bølgelængde, som findes i dagslyset, og som ventilatorbladene blev udsat for. Denne lyskilde kan bedst sammenlignes med en svag udgave af højfjeldssolen (HLI), hvilket passer fint med resultaterne fra staldforsøget, hvor Titernal E viste sig at have god effekt efter behandling med (HLI). Slidtest I forhold til den praktisk anvendelse af fotokatalytiske materialer, er det vigtigt at kende til produktets mekaniske egenskaber, altså om en ellers god belægning falder af, om den berøres eller ej. Vi har derfor identificeret og gennemført en standardiseret vådskurningstest, der anvendes til at vurdere mekanisk styrke af indendørs malinger. Da testen udføres med opstrøg på PVC folie, har det kun været muligt at gennemføre den for STO Climasan, Rockidan Amphibolin, Nanosilver samt referencen en almindelig indendørs maling. I løbet af testen fjernes 4 um af laget for Rockidan Amphibolin og referencemalingen, mod 6 um for STO Climasan og 9 um for Nanosilver. Ifølge testen tilhører Rockidan Amphibolin og referencemalingen kategori 1 af 5, hvor 1 er bedst, mens STO Climasan og Nanosilver hører til kategori 2. Kategori 2 er stadig en god maling/belægning, som holder til et fornuftigt slid. Konkluderende er der altså en vis forskel på de undersøgte belægninger, men de har alle en tilstrækkelig mekanisk styrke til at kunne bruges under praktiske forhold. Fotokatalytisk effekt Malingerne STO Climasan og Rockidan Amphibolin samt standard TiO 2 belægningen blev desuden testet ved hjælp af den såkaldte methylenblåt metode for at undersøge den relative fotokatalytiske aktivitet. Som forventet viste standardbelægningen en god fotokatalytisk aktivitet, men også de fotokatalytiske malinger viste en fornuftig aktivitet, hvilket afspejledes i den mikrobiologiske analyse. Desværre er det ikke trivielt at anvende methylenblåt-testen til vurdering af netop malinger. Metoden baserer sig på måling af nedbrydningen af et farvestof, dvs. ændring i antallet af farvestofmolekyler i opløsningen, og da farvestoffet adsorberes til malingerne selv, er usikkerheden på målingerne større end normalt. 7
Diskussion Konklusionen på den visuelle vurdering må være, at tilsmudsningsgraden af belægningen tilsyneladende ikke er en god indikator af den fotokatalytiske aktivitet, og at en visuel vurdering primært kan bruges som et kvalitativt værktøj. For de 3 fotokatalytiske belægninger, hvor den mikrobiologiske analyse var over detektionsgrænsen, er der dog en fin overensstemmelse mellem tilsmudsningsgraden (bilag 2, skema 2.2) og reduktionen i celletal (bilag 3, Tabel 2). For at opnå en fotokatalytisk effekt af belægningerne er det nødvendigt med lys i det rette bølgelængdeområde, dvs. UVA belysning, hvilket almindeligvis ikke findes i kyllingestalde. Raten af den fotokatalytiske nedbrydning af smuds, bakterier og lignende er i vid udstrækning afhængig af intensiteten af lyset, men i en kyllingeproduktion er netop lyset væsentligt for kyllingernes trivsel, så det er ikke en mulighed at ændre dele af den generelle lyssætning i stalden. Det var derfor nødvendigt at opsætte dedikerede lyskilder foran testemnerne, der ikke strålede ud på kyllingerne, se figur 1. Intensiteten af disse Blacklight lysrør var 36 W, de blev målt på stedet og havde en intensitet svarende til ca. 40 % af de lyskilder, der anvendes til standardiserede tests af fotokatalytisk aktivitet. Hvis denne teknologi skal implementeres i en kyllingestald, hvor udvalgte inventardele belægges med en fotokatalytisk overflade, vil det kræve UVA belysning af hele stalden, hvilket ikke kan undgå at påvirke dyrenes adfærd. Det er vigtigt at få bekræftet, at dyrene ikke bliver yderligere stressede af denne belysning. Alternativet er at benytte andre ikke fotokatalytiske men aktive overflader som nanosilver, der har vist rigtige flotte resultater i denne test. Det vil også være en mulighed at oplyse stalden med HLI i kortere perioder, hvilket med den rigtige fotokatalytiske overflade kan have stor effekt. Denne teknik kunne f.eks. tages i brug lige inden nye kyllinger ankommer for at sikre, at stalden er helt steril. Figur 1 UVA lyskilde foran testemner 8
Konklusion Balancen mellem at opnå en effektiv fotokatalytisk proces, overfor hvad der er praktisk muligt, er en generel udfordring, der skal adresseres i fremtidige projekter omkring anvendelse af fotokatalytiske materialer i landbrugssektoren. Det er i denne forbindelse særdeles vigtigt, at tænke dyrevelfærd med ind i en helhedsløsning. Selvrensende overflader har vist sig at være effektive til at nedbringe bakteriepresset i en fjerkræproduktion. Der blev i dette forsøg afprøvet 7 forskellige selvrensede overflader med meget svingende effekt. De mest effektive overfladebehandlinger viste sig at kunne nedbringe bakteriedensiteten med over 52 %. De fotokatalytiske belægninger har en klar forøget effekt ved kontinuerlig UVA belysning, men det har vist sig, at en lignende effekt kan opnås ved kortere perioder med høj lysintensitet. Andre aktive overflader som belægninger med nanosølv har også vist sig at have en høj antiseptisk virkning uden behov for belysning. Selvrensende overflader har i forsøget ligeledes bevist, at de brugt på ventilatorvinger kan nedbringe strømforbruget. 9