(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）入口と出口を有するカラム、ｂ）該入口の上流に位置する微生物栄養供給ライン、ｃ）該入口の上流に位置する流圧を測定するための第１圧力センサーおよび該出口の下流に位置する流圧を測定するための第２圧力センサー、およびｄ）所望により、カラム上に加熱システムを含む生物付着モニター。
【請求項２】
ａ）入口と出口を有するカラム、ｂ）該入口の上流に位置する微生物栄養供給ライン、ｃ）該入口の上流に位置する流圧を測定するための第１圧力センサーおよび該出口の下流に位置する流圧を測定するための第２圧力センサー、ｄ）該供給ラインで下流の入口に接続し、かつ、該カラム中に供給された圧力を維持するために出口に接続した再循環システム、ｅ）物質を含有する液体を通過させることができる量にて、該カラム内に位置する不活性パッキング材料、およびｆ）所望により、該カラム上に位置する加熱システムを含む生物付着モニター。
【請求項３】
前記カラムはプラスチック、ガラス、セラミック材料、または金属から作られたカラムである、請求項１又は請求項２に記載の生物付着モニター。
【請求項４】
前記微生物栄養供給ラインは、グルコース、ピルビン酸塩、またはデンプン調製物を含む、請求項１又は請求項２に記載の生物付着モニター。
【請求項５】
さらに、前記カラム中に物質を含有する液体を通過させることができる量の不活性パッキング材料を該カラム内に含む、請求項１又は請求項２に記載の生物付着モニター。
【請求項６】
前記不活性パッキング材料は、ロック、ガラス、プラスチック、非腐食性金属、セラミック材料、またはこれらの組み合わせである、請求項５記載の生物付着モニター。
【請求項７】
前記不活性パッキング材料は、少なくとも１つのステンレススチールボールである、請求項５記載の生物付着モニター。
【請求項８】
さらに、ｇ）入口と出口を有する第２カラム、ｈ）所望により、第２カラムの前記入口の上流に位置する微生物栄養供給ライン、ｉ）第２カラムの該入口の上流に位置する流圧を測定するための第３圧力センサーおよび第２カラムの前記出口の下流に位置する流圧を測定するための第４圧力センサー、ｊ）第２カラムの入口に接続し、前記供給ラインの下流にあり、かつ第２カラムの出口に接続する、前記第２カラム中に供給された圧力を維持するための第２再循環システム、およびｋ）物質を含有する液体を通過させることができる量にて前記第２カラム内に位置する不活性パッキング材料を含む、請求項２記載の生物付着モニター。
【請求項９】
前記出口は貯蔵タンクに接続する、請求項２記載の生物付着モニター。
【請求項１０】
前記入口は、水溶液含有システムから水溶液を導き、かつ、前記出口は、前記入口が前記水溶液システムから導く下流の地点で、前記水溶液の少なくとも一部分を前記水溶液システム中へもどす、請求項２記載の生物付着モニター。
【請求項１１】
ａ）入口と出口を有するカラムを通して、連続して前記水溶液の少なくとも一部分を通過させ、ｂ）該入口の上流地点で該水溶液の該部分中へ微生物栄養成分を導入し、ｃ）該入口の前にある第１地点および該出口の後にある第２地点で、該カラムを通った該水溶液の該部分の流圧を連続または非連続して測定し、ｄ）該第１地点および該第２地点での測定に基づいた圧力差を決定することを含む、水溶液中で前もって生物付着をモニターまたは検出する方法。
【請求項１２】
前記水溶液は、工業用水循環から得たものである、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記水溶液は、製紙用水循環から得たものである、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記カラムはプラスチック、ガラス、セラミック材料、または金属から作られたカラムである、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記微生物栄養供給ラインは、グルコース、ピルビン酸塩、またはデンプン調製物を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
さらに、前記カラム中に物質を含有する液体を通過させることができる量の不活性パッキング材料を該カラム内に含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記不活性パッキング材料は、ロック、ガラス、非腐食性金属、セラミック材料、またはこれらの組み合わせである、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記不活性パッキング材料は、少なくとも１つのステンレススチールボールである、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、水溶液を含む種々のシステムの生物付着に関し、特に生物付着を検出または記録するモニターおよび生物付着をモニターまたは検出する方法に関する。
【０００２】
表面における生物学的付着は、多くの商業および工業用水溶液プロセスおよび水処理システムにおける深刻な経済的問題である。付着は、微生物および／または細胞外物質の蓄積であるバイオマス、およびこのバイオマス中にトラップされた汚物または残骸によって引き起こされる。細菌、真菌、酵母、硅藻植物および原生動物類は、バイオマスの増強を引き起こす生物のいくつかにすぎない。これらの生物が制御されないならば、これらの生物によって引き起こされた生物付着は、プロセス操作を妨げ、プロセスの効率を低下させ、エネルギーを浪費し、かつ製品の品質を低下させ得る。
【０００３】
発電プラント、精油所、化学プラント、空気調整システム、および他の商業および工業上の操作において使用される冷水システムは、しばしば、生物付着の問題に遭遇する。バイオフィルムは生物層の蓄積である。冷水システムは、一般的に、冷却タワー中の空気／水との接触によって、もたらされた空気伝播生物、ならびに水供給を使用するするシステムからの水伝播生物によって汚染される。このようなシステムの水は、通常、これらの生物の優れた成長培地である。もしも、これが制御されないなら、このような成長により得られるバイオフィルム生物付着は、タワーを塞ぎ、管路をブロックし、粘着物の層で熱移動表面を被覆し、それによって、適切な操作を阻止し、かつ設備効率を低下させる。
【０００４】
生物付着の問題を受け易い工業的プロセスとしては、パルプ、紙、紙板、および織物、特に、水流による不織布の製造に使用されるものが挙げられる。例えば、製紙機械は、「白濁水システム」と呼ばれる再循環システムにおいて、極めて多量の水を扱う。白濁水はパルプ分散液を含む。製紙機械への供給物は、通常、たった約０．５％の繊維性または非繊維性製紙用固体を含み、これは紙１トンに対して、水約２００トンを製紙機械に通過させ、そのほとんどを白濁水システム中に再循環させる。
【０００５】
これらの水システムは、微生物の優れた成長培地となり、その結果、ヘッドボックス、水ライン、および製紙装置の中で微生物の粘着物を生成することとなる。このような粘着物の塊は、水と原料の流れを阻害することのみならず、これらが離れ去るときには、紙の中にスポットや穴、ならびに製紙操作中に費用のかかる崩壊を生じるウェブブレークを引き起こすこととなる。
【０００６】
微生物活性の制御は、古くから、毒性薬品の分野であった。米国特許第3,959,328号、第4,054,542号および第4,285,765号は、毒性薬品によって障害となる微生物を殺すことに基づく方法の実例である。このような方法は障害となる微生物を排除することによって問題を取り除くとの論理から、および多数の微生物を殺す有機または無機化学品が入手可能であることから、大きな研究努力の成果を受けてきた。
【０００７】
生物活性のネガティブ効果を制御するいくつかの試みは、毒性薬品の使用を避けるか、あるいはその使用または環境へのインパクトを緩和することである。例えば、ともにHatcher et al.による米国特許第3,773,623 号および3,824,184 号は、工業用水システムにおいて、微生物による粘着物の生成を制御する酵素、レバンヒドロラーゼの使用に関する。
【０００８】
生物付着を制御または阻止するために、絶えず努力がなされているが、水システム、特に工業用水システムは、生物付着制御組成物の導入によっても阻止されず、蓄積された生物付着の洗浄または除去のために操業停止することがなおも必要である。殺菌性または抗付着組成物の導入は、システムが洗浄のために操業停止されなければならない回数を減らすけれども、操業停止および洗浄を必要とする程度にまで生物付着が達したときに、使用者が測定できる生物付着モニタリングシステムがあると有益であろう。他方、もしも水システムの使用者が生物付着の増強に気がつかないなら、そのような生物付着は、結果としてスポットや穴を有する紙などの低品質の製品を製造するか、あるいは水システムへの供給原料を供給するために使用する種々のラインの目詰まりなど、より有害なものとなるであろう。すなわち、多くの薬品の導入かあるいは操業停止のいずれかによって修正を必要とする潜在的な生物付着状況を水システムの使用者に知らせる早期警告システムを有することがもっとも好ましい。もしも、水システムの使用者が前もって、操業停止が必要であることを知っているなら、そのとき、例えば、紙の走行を終了し、水システムへの薬品量を増加させて、低品質の製品あるいは水システム中の装置への損傷を避けることを前もって行うことができる。
【０００９】
【発明の要約】
本発明の一実施態様は、生物付着モニターおよび生物付着を検出またはモニターする方法を提供することである。
本発明の他の実施態様は、調整処置を行うより前に、生物付着を検出またはモニターする生物付着モニターシステムを提供することにある。
本発明の別な実施態様と利点は、下記説明において部分的に開示されるであろう。また、部分的にはその記述から明らかになるであろう。あるいは本発明を実施して知るであろう。本発明の目的と他の利点は、記述された説明とその従属する請求項にて特定して指摘された開示によって実現され、かつ得られるであろう。
【００１０】
これらおよび他の利点を達成するために、かつ、本発明の目的に従って、本明細書中にて実施され、かつ広く記載されるように、本発明は入口と出口をもつカラムを有する生物付着モニターに関する。このモニターはまた、入口の上流に位置する微生物栄養供給ラインを有し、また入口の上流に位置する流圧を測定する第１圧力センサーおよび出口の下流に位置する流圧を測定する第２圧力センサーを有する。
【００１１】
本発明はさらに、上記構成要素、いわゆるカラム、微生物栄養供給ラインおよび圧力センサー、ならびにこの入口に接続する再循環システムを有する生物付着モニターに関する。この再循環は、供給ラインの下流に位置して、またカラムから供給された圧力を維持するために出口に接続している。この態様では、生物付着モニターはまた、カラム内に位置する不活性パッキング材料を有する。カラム内の不活性パッキング材料の量は、カラムを通して物質を含有する液体の通過をなおも可能とする量だけ存在する。
【００１２】
さらに、本発明は水溶液中で前もって生物付着をモニターまたは検出する方法に関する。この方法は入口と出口を有するカラムを通して水溶液の一部分を通過させることを少なくとも含む。この水溶液は通常、連続してカラム中を通過する。微生物栄養成分は、入口の上流点で水溶液の一部分中に導入される。カラムを通過する水溶液の一部分の流圧は、入口の前にある第１地点および入口の後にある第２地点で連続または非連続して測定され、これらの測定に基づいて圧力差が決定される。これらの圧力差測定から、生物付着の発生量がモニターされて、プロットされ、かつ、生物付着が発生したかどうか、あるいは存在する生物付着が水溶液システム中で増加しているかどうかを決定し得る。入口より前に水溶液に供給される微生物栄養成分は、水溶性システムの生物付着を促進するような手段として使われ、したがって、生物付着のこのような促進は、全体的な水溶液システムにて生じるであろう生物付着の予告となるから、早期警告メカニズムとして利用される。
【００１３】
前記一般的な説明および下記の詳細な説明の双方は一例であって説明にすぎず、特許請求されるように、本発明のさらなる説明を提供することを意図するものであると理解されるべきである。
本願に挿入され、その一部を構成する添付した図面は、本発明のいくつかの実施態様を図示し、かつ、その記述とともに、本発明の実施態様のいくつかの原理を説明するために使用される。
【００１４】
【本発明の詳細な説明】
本発明は生物付着モニターおよび水システムなどの水溶液システムの生物付着を検出またはモニターする方法に関する。本願の目的として、水溶性システムまたは水システムとは工業用水システムを含めたこのようなシステムのすべてである。水システムまたは水溶液システムの例としては、製紙工程、冷却タワーおよび金属加工用液体を使う水システムを含むが、これらに限定されない。これらの種々のシステムは、通常、熱移動表面、パイプライン、ヘッドボックスおよび製紙装置などの生物付着を受けやすい表面、および液体貯蔵タンクおよび反応容器を有する。
【００１５】
本発明の目的では、生物付着とは微生物および／または細胞外物質の蓄積であるバイオマス、およびそのバイオマス中にトラップされた汚物または残骸によって引き起こされる付着をよぶ。細菌、真菌、酵母、硅藻植物、原生動物類、およびその組み合わせ、および他の微生物は、バイオマスの蓄積を引き起こす生物のいくつかにすぎない。
【００１６】
本発明の生物付着モニターに関して、生物付着モニターは少なくとも、入口と出口をもつカラムを有する。このモニターはまた、カラムの入口上流に位置する微生物栄養供給ラインを有する。さらに、生物付着モニターは入口の上流に位置する第１流圧を測定する第１圧力センサーおよびカラムの出口の下流に位置する第２流圧を測定する第２圧力センサーを有する。
【００１７】
入口と出口をもつカラムとは、中空であって、カラムの内部へ水溶性タイプの物質を流すことができるいかなるタイプのカラムであってもよい。このカラムはいかなる形および大きさであってもよい。例えば、カラムは中空であって、水溶性タイプの物質の通過を可能とする限り、円形、正方形、長方形、三角形、または他の幾何学的な形であってもよい。好ましくは、カラムは円形である。さらに、カラムの長さはいかなる長さであってもよい。例えば、カラムは約２ｃｍ〜約２００ｃｍであってもよい。好ましくは、カラムは約５ｃｍ〜約１００ｃｍ、より好ましくは約５ｃｍ〜約３０ｃｍ、最も好ましくは約１５ｃｍ〜約２５ｃｍである。また、カラムはいかなる内径あるいは内部断面積を有していてもよい。好ましくは、この内径あるいは内部断面積は、約０．１ｃｍ２〜約１００ｃｍ２、より好ましくは約０．２ｃｍ２〜約２０ｃｍ２、もっとも好ましくは約１ｃｍ２〜約３ｃｍ２である。理想的には、長さと直径または断面積はカラムを通る圧力を維持する小さなポンプを有するようなものであり、したがって、もしも内蔵式移動モニターユニットが好ましいかあるいは必要であるならば、カラムがより大きな直径または断面積およびより大きな長さを有すると、好ましくないより高い容量流速を必要とするであろう。
【００１８】
カラムはプラスチック、ガラス、ホウ珪酸塩ガラスビーズなどのセラミック材料、またはステンレススチールなどの腐食性でない金属などの非腐食性材料から作られ得る。確かに、他の非腐食性材料も使用できる。一般に、外径と内径との差の半分として測定されるカラムの壁の厚さは、カラムを通過する液体の圧力による破裂を避けるには十分であるべきである。好ましくは、この厚さは約０．１ｃｍ〜約１ｃｍであり、より好ましくは０．２ｃｍ〜約０．５ｃｍであるべきである。
【００１９】
一般には、必要でないけれども、カラムは同じ内径またはカラムを通る断面積を有することが好ましい。さらに、入口および出口の内径または断面積は、好ましくは、カラムを通る均一な流速を維持するために同じである。
【００２０】
カラムの入口の上流に位置する微生物栄養供給材料ラインに関して、微生物の成長を促進するいかなる栄養成分も使用できる。例えば、供給される微生物栄養成分は、水およびグルコースを含むグルコース調製物であってもよい。好ましくは、グルコースまたは他の栄養供給材料は、約０．５ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍ、より好ましくは約５ｐｐｍ〜約５００ｐｐｍ、もっとも好ましくは約１０ｐｐｍ〜約２００ｐｐｍの濃度である。他の供給速度は、確かに、使用する特定のシステムに依存して使用し得る。一般に、供給される微生物栄養成分は貯蔵タンク内に存在していて、この栄養成分がカラムの入口へ供給される水溶液を含むライン中にポンプによって供給される。
【００２１】
モニターシステム中へ導入する微生物栄養供給量は、一般に、カラムまたはカラム内に配置されるいかなる不活性物質の表面内または表面上で、少なくとも１種の微生物の成長を促進するに十分である量である。微生物栄養供給の目的は、促進する微生物の成長にとって最適な環境を作りだすことである。このような成長を促進することによって、生物付着は全体的水システム中で生じる全体的生物付着速度に比べて、カラム内でより早い速度で生じるであろう。この微生物の促進した成長およびそれゆえに促進した生物付着をモニターすることにより、生物付着を受ける水溶液または水の全体的システムにおいて生じるであろう生物付着に関して予告を行い得る。したがって、本発明の生物付着モニターシステムは、全体的水システムまたは水溶液システムにおいて生じるべき生物付着を正確に予告できる早期警告システムを有するように組み立てられる。もしも、多量の微生物栄養成分がモニターシステムに供給されるなら、そのとき、生物付着はモニターする全体的水溶液システムよりもモニターシステムにおいてより早く生じるであろう。もしも、少量の微生物栄養成分がモニターシステムに供給されるならば、そのとき、微生物付着の蓄積は水システムの全体的生物付着の蓄積よりもわずかに早いだけであるから、より早い警告は達成されないであろう。本発明の目的では、モニターされる各水溶液または水システムは所望の早い警告のタイプを決定するには一定の方向性をもち、また、水溶液システムにおいて発生する現実の生物付着とカラム内の生物付着蓄積を関連つける点でなされる決定が必要である。すなわち、生物付着モニターが水溶液システムにおいて初めて使用される際には、生物付着の除去のために、水溶液システムを洗浄するかあるいは操業停止することが推奨され、次いで、水溶液システムを再開する際には、生物付着モニターがモニターシステム中の生物付着蓄積に対する水溶液中に生じる生物付着を正確に読みとることができる。いったん、水溶液システムで生じた現実の生物付着とカラム内で生じた早い生物付着との間の関連性を決定すると、そのとき、モニターシステムの使用者は、モニターシステムによってもたらされた早い警告のタイプを評価することができ、カラム中に供給された微生物栄養成分量に基づいた早い警告を増加させるか、あるいは早い警告を減少させるかの決定を行うことができる。カラム内で生じた生物付着の量を制御できる他の要因は、パッキング材料の大きさと形、カラムを通る再循環流速、および取り込みバルブから入れられた水溶液システムからの水溶液の量である。言い換えれば、もしも再循環システムが使用されるなら、パッキング材料が細かいほど、あるいはモニターシステム中の既存の水溶液の再循環が多いほど、あるいは水溶液システムから導入された水溶液が多いほど、生物付着蓄積への応答は早い。
【００２２】
圧力センサーに関して、少なくとも２つの圧力センサーがモニターシステム中に配置される。第１圧力センサーはカラムの入口に位置して、カラムに入る水溶液の圧力をモニターし、第２圧力センサーはカラムの出口または出口の近くに位置して、カラムを出る水溶液の圧力をモニターする。これらの２つの圧力の読みは、次いで、いかなる圧力低下発生をもモニターするために比較され得る。２つのセンサー間の圧力差をモニターし、かつ、これらの測定値をプロットすることによって、生物付着蓄積を示す圧力差を変化させるパターンが見られ得る。言い換えれば、圧力における差異が増加するに従い、生物付着蓄積はカラム内で増加する。何故なら、生物付着蓄積はカラムを通る水溶液の流れへの抵抗を増加させ、すなわち、カラム出口に比例して、カラムへの入口で圧力を増加させるから。これらの圧力センサーの読みに基づく圧力差をモニターすることによって、全体的水溶液システム内の生物付着蓄積を明瞭に理解できる。本発明において使用され得る圧力センサーは、電気機械用トランスジューサーなどの水圧力を記録できるいかなる圧力センサーであってもよい。
【００２３】
通常、カラム入口に入る水溶液の圧力は、モニターシステムにおいて少なくとも１つのポンプを使用して調整され得る、いかなる圧力であってもよい。通常、もしも再循環システムが使用されないなら、圧力は約０．１ｍｂａｒ〜約１０００ｍｂａｒ、より好ましくは約１ｍｂａｒ〜約１００ｍｂａｒであろう。他の圧力割合は確かに、モニターされる特定の水溶液システムに依存して使用され得る。
【００２４】
本発明の好ましい態様では、再循環システムが使用される。再循環システムは本質的には、カラムを通過する水溶液を再循環させる。この再循環システムは少なくとも２つの目的を有する。まず、再循環システムは特定のモニターシステムの必要性に依存して調整可能であるカラム中で水溶液を増加させ、かつ高い圧力を維持することにある。再循環システムの第２の目的は、上記したように、カラム中に水溶液を再循環させて、それによって、必要な圧力を維持するために必要である全体的水溶液システムから、大量の新鮮な水溶液を導入させることにある。大量の新鮮な水溶液の導入は、カラムを詰まらせる浮遊した残骸を導入し、さらに、それらが繁殖して生物付着を引き起す前に、カラムから微生物を勢いよく流し出す。典型的には、再循環システムはカラムの入口より前にあって、かつ微生物栄養供給ラインの上流に入口ポイントを有し、またカラムの出口の後に出口ポイントを有するであろう。再循環システムは約０．１ｍｂａｒ〜約１０００ｍｂａｒ、より好ましくは約０．５ｍｂａｒ〜約２００ｍｂａｒ、もっとも好ましくは約１ｍｂａｒ〜約１００ｍｂａｒなどのカラムを横切るいかなるタイプの水圧をも作り得る。このような圧力を持続できるポンプとしては、蠕動ポンプなどを使用できる。さらに、再循環システムが使用されても、全体的モニターシステムはなおも、カラムの出口から出る水溶液の少なくとも一部分を出すことができる。少なくとも一部分の水溶液が出るということは、全体的水溶液システムを通る水流の正確な表示を維持して、より正確な生物付与を示すためには、全体的水溶液システムから新鮮な水溶液を導入することを可能とするであろう。全体的モニターシステムから出て、貯蔵タンクまたは吸気ポイントの下流に入る水溶液の量は、約０．１〜約２０００ｍｌ／分である。したがって、モニターシステム中へ新鮮な水溶液を導入することは、再循環入口ポイントの前または後のポイントで、モニターシステム中に別な水溶液をポンプで注入する補給ラインを使用して行う。再循環システムを有するモニターシステム中に入れられる新鮮な水溶液の量は、約０．１ｍｌ／分〜約２０００ｍｌ／分、より好ましくは約０．５ｍｌ／分〜約１０ｍｌ／分、およびもっとも好ましくは約１ｍｌ／分〜約３ｍｌ／分など、いかなる量であってもよい。
【００２５】
好ましい本発明の他の選択は、カラム内の不活性パッキング材料を含むことである。この不活性パッキング材料の量は、液体を含むいかなる物質もカラム内に通過することを阻止する量を越えるべきではない。いかなる不活性材料も使用され得る。例えば、ロック、ガラス、非腐食性金属、セラミック材料、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。好ましい不活性パッキング材料は少なくとも１つのステンレススチールボールである。不活性パッキング材料の量は、カラム内部の大きさならびに使用者が生物付着蓄積のための環境を作ることを望む表面領域の量に依存する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施態様の概要図である。この図では、付着カラム５１は入口圧力センサー５３と出口圧力センサー５４の間に配置される。再循環ポンプ５２は、微生物栄養成分を含む水溶液がカラム５１内を再循環するように配置される。補給ポンプ５５は、図１に示されるように、再循環された水溶液とともに導入される水溶液システム（入口６０を経由して）から新鮮な水溶液をポンプで汲み上げる。栄養ポンプ５６は、栄養成分貯蔵部５７から微生物栄養成分をポンプで汲み上げ、図１に示されるように、この栄養成分はカラム内に入る。栄養成分を含む使用済み水溶液の量は、ポイントＡでカラムシステムから出て、出口流れ５９を経由して、入口の下流ポイントで水溶液システムに再流入させる。四方弁５８は図１に示されるようにして使用され、バイパスネットワークを可能とする。
【００２７】
本発明の他の態様は、第１モニターシステムと平行する第２生物付着モニターシステムを含む。すなわち、第２カラムの入口の上流に位置する所望の微生物栄養供給ラインをもつ入口および出口を有する第２カラムを使用してもよい。上記した第１カラムのように、この第２カラムもまた、少なくとも２つの圧力センサーおよび所望により第２再循環システムを有するであろう。不活性パッキング材料もカラム内に含めてもよい。この第２生物付着モニターシステムは、種々の目的に使用できる。まず、生物付着モニターシステムとはいかなる微量元素も供給しないで、水溶液システムからの水溶液をカラム内に単に通過させるコントロールでもあり得る。また、もしも栄養供給ラインが両モニターシステムにて使用されるべきであるなら、第２モニターシステムは第１モニターシステムのチェックとして使用されて、生じた早い生物付着の正確な平均値を得ることができる。
【００２８】
図２は２つのカラムシステムの一実施態様を示す。第１カラムとその接続は図１において記載したものと同じであり、数字は同じ部品およびその位置を示す。図２に示すように、この接続に加えて、第２カラム６３は入口圧力センサー６２と出口圧力センサー６１の間に配置される。第２再循環ポンプ６４は、図２に示すように、所望により栄養成分を含むか、あるいは正確な制御を維持するために再循環ポンプ５２と同じ量の水溶液を単に再循環することができる、再循環水溶液に配置される。補給ポンプ６５は新鮮な水溶液を導入するように配置される。ＡおよびＡ'は上記したように水溶液システム中に再導入されるカラムシステムから水溶液を出すポイントを表わす。
【００２９】
上記から、本発明はさらに、水溶液システムにおいて前もって生物付着をモニターあるいは検出する方法に関する。この方法は上記したように１つまたはそれ以上の生物付着モニターシステムの使用を含む。さらに詳細には、前もって生物付着をモニターあるいは検出する方法は、入口と出口を有するカラム内を少なくとも水溶液の一部分を連続して通過させることを含む。さらに、この方法はカラム入口の上流点で、カラム内を通過すべき水溶液中に微生物栄養成分を導入することを含む。この方法はまた、入口および出口でカラム内の流圧を連続または非連続して測定することを含む。これらの測定による圧力差が、次いで決定され、相関性が全体的水溶液システム中に生じるであろう生物付着を決定するために使用され得る。
【００３０】
カラム内で生物付着蓄積を最適化する環境をさらに提供するために、加熱ユニットを使用して、微生物の成長を促進するに十分な温度にてカラムを通過する水溶液の温度を維持する。通常、カラムを通過する水溶液の温度は、好ましくは約８０°Ｆ〜約１４０°Ｆ、より好ましくは約９０°Ｆ〜約１００°Ｆである。使用される加熱ユニットは水溶液の所望の温度を維持することができるいかなる加熱ユニットであってもよい。このようなユニットは加熱テープまたはマントルが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３１】
本発明の目的では、本発明の生物付着モニターにおける種々の部品は、柔軟または硬質のＰＶＣチューブまたは他の従来のパイプなどのあらゆるタイプの配管網によって互いに接続され得る。本発明の種々の部品を配管網で接続する方法は、あらゆる配管網の接続と同じである。
【００３２】
本発明の利点は、生物付着モニターが極めて可動性である内蔵式ユニットであり、生物付着蓄積をモニターする種々の部位へ取り付けられることにある。図７はこのような内蔵式モニターユニットの写真であり、この実施態様では、大きさが２２''ｗ×１８''ｄ×３０''ｈであり、重さ約１００ｌｂｓである。図７に示されるように、内蔵式生物付着モニターユニット７５が示されている。このユニット７５は、データロガー６６、栄養成分貯蔵部６７、栄養供給ポンプ６８、１つまたは２つの付着カラム６９（１つは単独で使用され得るが、２つが示されている）、カラム内を通過する水溶液の温度を制御する温度制御パネル７０、ポンプ速度制御器７１、圧力ゲージ７２、補給ポンプ７３、および再循環ポンプ７４を有する。
【００３３】
生物付着モニター中へ少なくとも１種の微生物栄養成分を導入する効果あるいは利点に関して、本発明の他の実施態様は、前もってあるいは急速に生物付着を検出する方法に関する。この方法は、生物付着モニターシステムを通過する水溶液の少なくとも一部分中へ上記した少なくとも１種の微生物栄養成分を導入する工程を少なくとも含む。通常、微生物栄養成分は、生物付着のモニタリングが生じる時点に先たって導入する。また、好ましくは、少なくとも１種の微生物栄養成分が導入される水溶液は、生物付着を促進する微生物の成長にとって十分な環境を有する。この実施態様において有用である生物付着モニターシステムはいかなる生物付着モニターシステムであってもよい。
【００３４】
本発明の他の実施態様は、生物付着モニターシステム中に生じた生物付着割合を促進させる方法に関し、これは１つの試験サンプル中へ上記した少なくとも１種の微生物栄養成分を導入することを含む。試験サンプルは通常、住居、商業、工業用の水溶液または水処理システムに使用される水溶液のサンプルまたは水溶性サンプルである。導入される微生物栄養成分量は、いかなる量であってもよく、好ましくは、試験される水溶液プロセスまたは水システムに比べて、微生物の迅速な成長を促進する量である。微生物栄養成分の量は、生物付着をモニターする特定の水溶液または水システムに基づいて決定され得る。
本発明は、下記実施例によってさらに明らかになるであろう。これらは本発明の単に実施例であることを意図する。
【００３５】
【実施例】
多孔性媒体内の液体流は、移動液体と媒体表面との間の粘性相互作用によって圧力差を生じる。粘性相互作用に対する表面積が増加するにつれて、摩擦抵抗と差動圧力が増加する。圧力差の大きさは、ダーシー(Darcy) の法則に従い、液体密度、粘度、流速、間隙率および媒体表面（Ｃｍ）によって影響される。
圧力＝Ｃｍ×〔粘度／（密度＋間隙率）〕×流速    （等式１）
【００３６】
微生物細胞および結合した残骸などのバイオフィルムに見られる表面蓄積物は、媒体の粗さを増加させ、圧力の増加を生む。さらに、堆積物が液体流路を有意に閉鎖し始めるにつれて、圧力が増加して間隙率の減少を生じる。これらの効果は一般には、生物付着がフィルター効果を有意に低下することとなる多孔性媒体濾過にて遭遇する。なお、ここでは同じ原理が生物学的付着をモニターする感度のよい検出器の基礎となる。
【００３７】
この実施例では、差動圧力生物付着モニターが作られ、その中で金属ビーズを詰めたカラムが付着に対して大きな表面積をもたらして、感度のよい信頼できる機器を作り出した。この機器は測定可能なシグナルを達成する高い流速の必要性を除いた。
【００３８】
生物付着をモニターするために充填カラム技術を使用する試みは、非生物学的物質や残骸がカラムを詰めて、生物学的シグナルを妨害する傾向にある。これは特に、大量の浮遊物質が存在する製紙工場の白濁水回路において実際に生じる。本発明はこの問題を避ける設計的特徴を使用し、非生物学的付着から生物学的付着を区別する技術を取り込む。
【００３９】
高濃度の浮遊固体を取り扱う生物付着モニターの能力は、再循環ポンプを使用して、カラム内に急速な流れを発生させ、一方、別な補給ポンプを使用して、新鮮な加工水をシステム中により低速度で導入して達成される。この方法は随伴する固体とともに大量の新鮮な溶液をポンプでシステム内に送る必要性もなく、加工水の連続供給を維持する。少量の加工水は容易に生物付着モニターの上流で濾過されて、ショートループなどの高い固体の白濁水をこの機器で使用することができる。このシステム中の液体の保管期間は、機器の感度を調節するいくつかの手段の１つを提供する補給ポンプを使用して調節され得る。
【００４０】
機器の感度は、生物付着モニターの応答とモニターされる工業プロセスの性能に関連する重要なものである。ほとんどの場合、モニターの目的は製品の性質を低下させる程度に達する前に、粘着蓄積物を検出することにある。そのようにするには、モニターは害を与える蓄積の前に、測定可能なシグナルを発生すべきである。最近の装置は、機器応答を加工品質に容易に関連つけることが可能である機器において、生物付着の速度を制御するいくつかの手段を組み入れている。
【００４１】
この装置では、新鮮な溶液のモニターへの供給を増加あるいは減少させるように、加工水供給速度を調節することができる。これは代わって、成長にとって利用できる栄養成分を増加または減少させて、微生物の成長速度に影響を与える。機器感度を制御する第２手段は、再循環流速を調節することである。より早い流速は、等式１に従い、媒体の粗さ、液体粘度、密度および間隙率における変化により生じる圧力変化を増幅させる。カラムに充填するために使用する物質の大きさと形は、感度を調節するためにも使用され得る。例としては、小さな蓄積物はビーズ間の空隙を閉鎖するために必要であるから、小さな直径のビーズを詰めたカラムは生物付着に早急に応答するであろう（すなわち、間隙率は付着が大きくなると早急に減少する）。
【００４２】
上記した調節は、すべてモニターの感度を変更するために使用され得るが、しかしながら、経験では、長期間の粘性物質のない製紙機械操作は、しばしば、数日間でわずかながら紙の性質を低下させ始める付着を不意に増加させることを示した。操作者が殺菌剤の量を増加させるか、あるいは先制する洗浄のために時期を見て操業停止を行うことができるこのような粘着物形成の早期警告を有することが望ましい。この例では、本発明の装置は２つのチャンネルを導入し、そのうちの１つは、そのチャンネルで微生物の成長を加速する栄養成分を導入するために、補充栄養供給ポンプを使用する。この方法を使用すると、栄養成分の富んだチャンネルは、加工水のみを供給したチャンネルに比べて、生物付着の早期警告に数日かかる。この設計の利点は、栄養成分添加による付着シグナルの加速が生命のない付着は微生物栄養成分の添加に対して応答を示さないことから、付着が本来、少なくとも部分的には生物学的であると確認することにある。
【００４３】
計測
この実施例の生物付着モニターは、製紙機械および他の工業用水回路における粘着物および堆積物の蓄積をモニターするように設計された独立型システムであった。このシステムは、１８''ｄ×２２''ｗ×３０''ｈの金属キャビネットに収容された複数のポンプ、圧力トランスデューサー、温度制御器、およびデータロガーを含んでいた。モニターキャビネット中の入力蠕動ポンプ(Cole-Parmer Instrument Company mode E-07553-80)は、バイオフィルム付着物のための基体として使う直径１．５ｍｍのステンレススチールビーズ３０２個を充填した２つの内径１．５ｃｍ×長さ２０ｃｍの透明なＰＶＣカラム中へ２〜３ｍｌ／分で工業プロセスから水を送った。別な蠕動ポンプは２５０ｍｌ／分にてカラム内に水を再循環させて、２０〜３０ｍｂａｒの基礎圧の低下を生じた。グルコース（30,000ppm)は、別なポンプ(Cole Parmer model E-7710-30) により、２つのチャンネルのうち、第２のもの（チャンネル２）へ１リットルの貯蔵部から約５０μｌ／分にて供給して、約６００ｐｐｍのグルコース添加を生じ、微生物の成長を刺激した。ビーズカラムは容易に取り替えるために、ＰＶＣ迅速結合接合管につながれ、全生物付着モニター液体流回路はＰＶＣおよびステンレススチールの器具と化学抵抗性ノルプレン(Norprene)およびタイゴン(Tygon) チューブからなり、洗浄液を浄化のためにシステム中にポンプで送ることができる。ビーズカラムは１００°Ｆなどの所望温度に維持するめに、オメガＣＮ７６０００温度調節器を使用して、電気マントル(Cole Parmer model E-03125-20)で加熱し、微生物の成長を刺激した。オメガＣＮ３７５温度限界制御器は、加熱マントルと透明なＰＶＣビーズカラムとの間の表面温度をモニターして、ＰＶＣの溶融を阻止した。４〜２０ｍＡ出力シグナルを有する差動圧力計器(Cole Parmer model E-07354-05)は内径１／８''×外径１／４''の水充填タイゴンチューブを使用してカラムのいずれかの端に配置されたＰＶＣ「Ｔ字型」器具に取り付けた。圧力計器はビーズ充填カラムを横切る差動圧力を測定し、キャビネットの前面上に配置されたデジタル棒グラフメーター(Cole Parmer model E-94712-00)にデータを表示した。圧力計器からの４〜２０ｍＡ出力は１００Ω抵抗器を通り、圧力に比例した０．４〜２Ｖｄｃシグナルを発生し、これはキャビネット内に配置されたオンセット(Onset) コンピューターＨＯＢＯ８データロッガーによって１０分間隔にて読み込まれた。全生物付着ユニットは独立型であり、ただ１２０Ｖａｃシグナル相電力および操作用加工水の連続供給源のみを必要とした。
【００４４】
モニタリング段階を開始するには、きれいなカラムを生物付着モニター中に入れ、加工水を補給ポンプによりスシテム中に吸水し、再循環ポンプと栄養供給ポンプを始動し、かつデータロガーを起動させた。多くの例では、基準線段階が続き、その間に、圧力は一定を維持し、次いで急速−通常は指数的−増加となるであろう。基準線と指数的段階は、それぞれ誘発相と成長相を意味した。
【００４５】
生物付着モニターは実験的にクラフトパルプ、アルカリ微細紙の工場に配備して、機器効果を評価し付着応答における補給栄養成分の影響を試験した。選ばれた工場ではハードウッドと松の混合物を用いて、１台の機械で１日当たり６００〜１０００トンの被覆微細紙を生産し、オフラインコーターからブレークした。工場での粘着物生成はハロゲンと有機臭素殺生物剤を組み合わせて使用して、良好なコントロール下に保った。しかしながら、殺生物剤量を減少させるとその工場はモニター試験の優れた場所となる。ここに記述した最初の試験中に、基準線付着応答が確立された。これに対して殺生物量を低下させる将来の努力の結果が比較され得るであろう。
【００４６】
生物付着試験のための溶液はアルバニー(Albany)スクリーンを通過した澄化白濁水から得た。この水をさらに、小さな浄化器と２０μｍのフィルターを通して処理し、生物付着モニターに入れる前に浮遊固体を減少させた。これらの工程は浮遊物質による付着を最小限とし、生物学的付着への応答を評価することができた。正常な操作では、確実に浄化器中の急速な溶液回転が停滞した成長条件を避けることができた。生物付着ユニットへの補給は、連続的に２〜３ｍｌ／分にて行って、再循環ループ内で約２時間の停滞時間を与えた。流入溶液の温度は１２０〜１３０°Ｆであった。補給グルコースは２つの生物付着チャンネルのうちの第２番目に供給されて最終溶液濃度６００ｐｐｍとした。
【００４７】
きれいな付着カラムを備えたモニターは、ウェットエンド・ボイルアウトの完了時に操業開始する製紙機械にオンラインで設置した。この時間的調節は付着応答をきれいな機械状態に照合させることができた。３１日後、両チャンネルの付着カラムは取り替えられ、４４日後に第２チャンネルが再び取り替えられた。製紙機械のウェットエンドは予定された維持操作中、３８日目に沸騰して取り除いた。図３および４は、５１日の展開におけるデータ記録を示す。
【００４８】
３１日目に取り除いた付着カラムは、ステンレススチールのビーズを取り除き、このビース表面を１０倍の虫眼鏡で観察して、目視にて粘着物の存在を確認した。このビーズはまた、界面活性剤で付着物を抽出し、市販ＡＴＰ分析機器を使用してその抽出物を分析して微生物活性を分析した。別なサンプルの付着物を超音波によって取り除き、エネルギー分散Ｘ線蛍光分析を使用して、元素含量を試験した。
【００４９】
結果
記録データは、最初の１４日間において両チャンネルにおけるシグナルが１０〜２０ｍｂａｒで安定であることを示した。第１４日目と第２０日目の間で３０〜４０ｍｂａｒへの偏位ならびに続いての基準線への復帰が、両チャンネルにおいて生じた。グルコースチャンネル（第２チャンネル）のシグナルは、第２１日目に圧力トランスデューサーにおける最大シグナルに相当する８０ｍｂａｒの制限値にまで急速に増加し始めた。２〜３日後に、第１チャンネルのシグナルは同様に急激な増加を示した。きれいな新しい付着カラムを第３１日目に取り付けて、シグナルを低基準線程度にまでもどした。
【００５０】
第２チャンネルにおける次の付着は、新しいカラムが取り付けられた後、３〜４日間に生じ、再び、およそ３日後に第１チャンネルにおける急激な上昇の開始であるような状態が続いた。後者の増加は、製紙機械を第３８日目にボイルアウトを行ったときに縮小され、次いで、６〜７日間繰り返して、第４６日目に限界値に達した。２〜３日後に、第１チャンネルのシグナルは約５０ｍｂａｒに低下した。第４４日目に第２チャンネルに取り付けた新しい付着カラムは、第３２〜３６日目の挙動と非常に似た応答となった。
【００５１】
ステンレススチールビーズ上の付着物の目視試験は、新しいカラムを取り付ける前の第３１日目に行った。カラム中の浅黄色から琥珀色の粘着物の流れが目視され、１０倍の付着物試験はビーズ間の隙間に広がるバイオフィルムのウェブ様マトリックスを示した。ＡＴＰ分析はビーズ表面から抽出した物質中の重度な微生物活性の存在を示した。付着物の元素分析はアルミニウム、珪素、およびカルシウムのピークを示し、粘土および炭酸カルシウム微粒子もまた、この物質中に存在することを示した。
【００５２】
ゆっくりした初めの微生物付着期間（誘導期間）に対応する新しいカラムの取り付けにおける基準線領域の出現は、しばしば、生物付着において観察された。２つのチャンネルにおける基準線データの類似性は、システムに入る浮遊した固体や微粒子の変化によって生じたであろうシグナルにおける小さな変動に対して、両者が均一に応答することを示した。このような物質は溶液の粘度や密度を変化させ、ダーシー(Darcy)法によって付着カラムを通る圧力低下に影響するであろう。そのデータは、これらの変動が真の付着現象と全く容易に区別されたことを示していた。
【００５３】
第１４日目に始まった圧力変位は明確に説明されないが、しかし、その現象は浄化器への流れを止めた詰まったライン形成と一致した。第２チャンネルにおける第２２日目のシグナル増加と第１チャンネルにおける第２５日目のシグナル増加は、２〜３日前に警告がグルコースチャンネルにより与えられることを示していた。この結果はより高い栄養成分濃度において予期された誘発時間の増加と一致している。新しいカラム（第３１日目）を取り付けた後、第１および第２チャンネルにおけるシグナルを比較すると、さらにグルコースチャンネルが生物付着の２〜３日前に警告を与えることを示していた（ここで、第１チャンネルの応答は製紙機械のボイルアウトによって縮小される）。
【００５４】
第２チャンネルの新しい付着カラムの取り付け（第３２日目と第４４日目）は、結果として上記したものと同様な急激な増加となったが、これはもっとより速やかに始まった。両方の場合、より急速な増加はカラムを取り付けた後、３〜４日に始まり、付着カラムが取り替えられたときに洗浄されなかったモニター内の微生物の接種物によって促進されたようである。第１チャンネルにおける第３８日目のシグナル減少は、ウェットエンド・ボイルアウトと一致し、さらに、微生物の成長に影響を与える要因への機器の応答を示す。第１チャンネルにおける第４７日目のシグナルの低下は、粘着物層の一部分が付着カラム内にて取り外され、または移されるにつれて圧力が変化する事象である。
【００５５】
第２２日目と第２５日目の付着シグナルの急上昇の形は、生物学的付着と一致し、さらに、機器応答のグルコース添加の効果を示す。図５はこれらの領域のデータと一致する指数的曲線を示し、図６は圧力対時間の対数のプロットを示す。後者の曲線の傾きは、それぞれ第１チャンネルおよび第２チャンネルの特定の付着速度、１．０３／日、および１．２７／日である。これらの値は、それぞれ付着シグナルが２倍になるのに必要である時間、１６時間および１３時間に相当する。第３６日目の付着シグナル（第２チャンネル）および第４５日目の付着シグナル（第１チャンネル）もまた、グルコースチャンネルにおいてより高い特定の付着速度を示す。
【００５６】
製紙工場の評価は、製紙工場の白濁水中の微生物活性および粘着物形成は、オンラインモニターを使用して測定され得ることを示す。ＡＴＰと元素分析は、付着堆積物は製紙機械蓄積物に見られる粘着物およびトラップされた残骸に特有である微生物または無機物質の両方からなることを示す。モニター評価中に生産された紙のウェトエンド化学は、モニターが紙の性質を低下し始める前に、微生物活性を識別することができることを示す粘着物に関連した問題を示さなかった。微生物活性に対する応答は、生物付着の早期警告をもたらす補給的栄養成分の添加によって加速される。正常な操作では、栄養成分の増加したチャンネルのシグナルは、２〜３日の間に付着が生じることを予告するために使用され、工場のオペレーターに、殺生物剤の添加を追加する機会、例えば、きわめて重大な製品走行中の生産を引き延ばすか、あるいは先制した洗浄のために一時的な操業停止を行う機会を与える。
【００５７】
他の実施態様は、本願の検討ならびに本明細書中に記載した本発明の実施から当業者には明白であろう。明細書および実施例は、下記請求項によって示される発明の真の範囲および真髄とともに、適例としてのみ考慮されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の生物付着モニターの一実施態様の概要図である。
【図２】  本発明の生物付着モニターの他の実施態様の概要図である。
【図３】  実施例での経時圧力の記録を示すグラフであり、全水溶性システム中に生じるであろう生物付着の早期予告となる生物付着の増強を示す。
【図４】  実施例での経時圧力の記録を示すグラフであり、全水溶性システム中に生じるであろう生物付着の早期予告となる生物付着の増強を示す。
【図５】  実施例での経時圧力の記録を示すグラフであり、全水溶性システム中に生じるであろう生物付着の早期予告となる生物付着の増強を示す。
【図６】  実施例での経時圧力の記録を示すグラフであり、全水溶性システム中に生じるであろう生物付着の早期予告となる生物付着の増強を示す。
【図７】  本発明の独立した生物付着モニターの一実施態様の写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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